Новости

13 октября, 2016 16:00

«Улучшенные» в СО РАН алмазы защитят связь от прослушки

Источник: Sibnet.ru
Фото: Владимир Сараев, Sibnet.ru

Алмаз — самый твердый и теплопроводный среди минералов в мире. Является кубической формой углерода. О происхождении и возрасте алмазов до сих пор идёт дискуссия — учёные придерживаются разных гипотез. Основные месторождения алмазов находятся в Африке, России, Австралии и Канаде. Самым известным применением алмазов являются бриллианты.

Три уровня качества

Желтые, голубые, кроваво-красные, бесцветные. Размером с горошину и меньше. Алмазы с разными свойствами выращивают в Институте геологии и минералогии СО РАН. Заведующий лабораторией экспериментальной минералогии и кристаллогенезиса Юрий Пальянов показывает кристаллы, бережно уложенные в коробочку.

По его словам, существуют три уровня качества кристаллов алмаза — это порошки для шлифовки разных материалов, прозрачные камни для ювелирной промышленности и самое высокое — кристаллы для приборов. Алмаз с новыми свойствами, аналогов которому нет в природе, может совершить прорыв в квантовых технологиях.

Первые синтетические алмазы начали создавать в 1955 году при высоком давлении. Этот способ используется до сих пор, но если иностранные компании применяют пресс до 55 тонн, то в Институте геологии и минералогии СО РАН для этого в начале 1980-х годов был разработан свой «Беспрессовый аппарат разрезная сфера» (БАРС).

Эксперименты по росту алмазов проводятся в отдельном здании. Внутри просторного технологического помещения расположены восемь БАРСов. Каждый из них весит около трех тонн и может создать давление до 70-75 тысяч атмосфер, температуру до 2,5 тысячи градусов. Аппарат раскрывают как ракушку.
«Внутри аппарата расположена разрезная сфера — это шар, который состоит из восьми сегментов (пуансонов) по 16 килограммов каждый. Те давления, которые необходимы для образования алмаза, сталь не выдерживает. Поэтому аппарат состоит из двух степеней: первая стальная, а вторая - из очень твердого материала — карбида вольфрама», — рассказал Пальянов.

У каждого пуансона есть площадка. Когда сегменты собирают вместе, внутри образуется полость в виде четырехугольной призмы. В этом объёме размещается ячейка высокого давления, которая состоит более, чем из 30 деталей. В этой ячейке и кристаллизуется алмаз.

 

«Все детали для ячейки делаем у себя, из специально подобранных материалов, которые прессуются и отжигаются. Довольно непростой процесс. Во время работы аппарат охлаждает циркулирующая вода. Все показатели выводятся на компьютер и можно контролировать параметры эксперимента», — продолжил собеседник.

На выращивание кристалла алмаза уходит от десятка до сотен часов. Чтобы получить новые свойства, ученые экспериментируют с температурой, давлением, средой кристаллизации и различными примесями.
 

Определяющими в создании новых свойств алмаза являются дефектно-примесные центры. Каждый кристалл имеет дефекты — нарушение периодичности кристаллической решетки. Ученые с помощью примесей различных веществ создают контролируемый дефект, когда в решетку алмаза встраиваются нужные атомы. Например, в кристаллическую решетку вместо атома углерода, из которых состоит алмаз, легко встраивается атом азота.

Как поясняет Пальянов, основной примесью в природном и синтетическом алмазе является азот. В структуру алмаза могут входить такие примеси как бор, водород, фосфор, никель, кобальт, кремний, германий. Бор и фосфор делают алмаз полупроводниковым материалом.

Получаемые заданные свойства важны для микроэлектроники, поскольку алмаз очень устойчив к температуре и радиационным воздействиям, а его теплопроводность в пять раз выше, чем у меди.

Кристаллы в деле

В лаборатории института в научных целях за пару десятков лет синтезировали многие вариации алмазов с разными примесями. Результаты получили практическое применение, например, «улучшенные» алмазы использует новосибирская научно-производственная фирма «Симекс». Кристаллы встраиваются в приборы ИК фурье-спектрометрии, применяемые в аналитических и криминалистических лабораториях.

В прошлом году лаборатория экспериментальной минералогии и кристаллогенезиса параллельно с международной командой японцев и немцев разными методами пришли к одному результату — впервые вырастили алмазы с германиевыми центрами.

Встроить германий в структуру алмаза получилось не сразу — на это ушел год работы. «Попытки вырастить алмазы, легированные германием, в хорошо изученных системах на основе железа, никеля и кобальта, успехом не увенчались. Германий категорически отказался встраиваться в структуру алмаза в этих условиях», — рассказал Пальянов.

Тогда учёные попробовали в качестве растворителя-катализатора для синтеза алмаза использовать расплав магния.

«Условия кристаллизации алмазов, легированных германием, оказались весьма экстремальными: температура 1,5-1,9 тысячи градусов, давление – 70 тысяч атмосфер. Полученные кристаллы бесцветны, имеют форму кубов, а их размеры достигают двух-трёх миллиметров. Детальные исследования продемонстрировали достаточно высокое совершенство алмазной структуры и позволили выявить ещё один новый дефектный центр в алмазе», — рассказал Пальянов.

Наличие германия в алмазе доказали с помощью люминесцентной спектроскопии — лазерное излучение возбуждает оптические центры, которые затем испускают кванты света, фотоны. Энергия излучаемых фотонов зависит, хоть и слабо, но достаточно для регистрации, от массы примесного атома. Исследуя кристаллы алмаза, легированные различными изотопами германия, ученые установили в спектрах фотолюминесценции сдвиг соответствующих оптических линий и доказали присутствие германия в кристаллах алмаза.

Перспективные кристаллы отправили на исследование в Институт квантовой оптики в Германии — это признанный центр, в котором могут быть изучены уникальные свойства алмаза.

«Новые кристаллы с германиевыми центрами весьма перспективны в квантовых технологиях. Потенциально они могут использоваться как источники одиночных фотонов. На них можно построить, например, системы связи с очень высокой степенью защиты, основанной на протоколах квантовой криптографии. Когда у вас информация передается в виде одиночных фотонов, то, в соответствии с принципом неопределенности, невозможно измерить (считать) какой-либо параметр квантового объекта не изменив другие его параметры, то есть "прослушка" сразу становиться явной», — пояснил научный сотрудник института Игорь Куприянов.

По его словам, алмазы с новыми свойствами могут также представлять интерес для исследований, направленных на создание квантового компьютера — популярной среди ученых идеи, а также для разработки устройств фотоники, где для передачи сигналов используются не электроны, а обладающие предельно высокой скоростью фотоны.

«Все, кто этим занимается, хотят иметь тонкую алмазную пленку хорошего качества, это не всегда получается. С помощью имплантации ионов водорода (протонов) в алмазе создается жертвенный слой, он удаляется специальным травлением и получается монокристальная тоненькая пленка. Периодическая структура дырочек, нанесенных на них — это уже простейший пример фотонного кристалла, на котором можно получить интересные эффекты. Этой работой мы занимаемся с Институтом физики полупроводников», — рассказал Куприянов.

Он отметил, что перспективным является создание слоя из нового материала графена в алмазе. «С учетом того, что у алмаза хорошая теплопроводность и прозрачность, то графеновый слой будет хорошо защищен, так как сам по себе он подвержен влиянию. Если это совместить, можно достичь рекордных электронных характеристик. Здесь есть интересный задел на будущее. Мы идем к приборам, которые работают по другим принципам», — отметил собеседник.

Назад в будущее

Создание алмазов с новыми свойствами нельзя отделить от работы лаборатории по моделированию природных условий образования алмазов. «Повторяют» процесс, происходивший в недрах Земли, в тех же БАРСах.

Современная наука получает информацию о том, что происходит в мантии Земли, преимущественно из ксенолитов (вынесенных на поверхность в кимберлитовых трубках обломков мантийных пород). Таких ксенолитов мало, но с их помощью можно «заглянуть» в мантию на огромные глубины, отметила старший научный сотрудник лаборатории Юлия Баталёва. Кроме того, важнейшими источниками информации о недрах являются включения в алмазах, которые выступают надежными контейнерами, сохраняя неизмененными мантийные минералы, флюиды и расплавы.

«Мы знаем, что было заложено в эксперимент, какие реагенты, какие параметры (давление и температура) применены, и видим, что мы получили на выходе. После высокобарических экспериментов мне отдают ампулку с образцом. Что происходит потом? Обычно мы образец распиливаем, делаем полировку и микрофотографии, исследуем структуру, определяем фазы, уточняем химический состав», — сказала Баталёва.

По ее словам, в распоряжении ученых есть целый арсенал методик: оптическая, электронная микроскопия, рентгеноструктурный анализ, микрозонд, ИК- и КР-спектроскопия.

«На основе полученных данных мне нужно, как Шерлоку Холмсу, понять, что же происходило в эксперименте и сопоставить с природными обстановками», — описала собеседница свою задачу.

По ее словам, в этом году провели эксперименты по определению роли сульфидов (природные соединения металлов и серы) в алмазообразовании.

«Мы взяли природный железо-никелевый сульфид, взяли карбонатно-силикатные минералы, аналогичные природным. Использовали необычную схему сборки ампул, типа таблетка в таблетке. При специально подобранных параметрах нам удалось получить очень обильный синтез алмаза, содержащих большое количество включений, похожих на природные. По сути, это - пионерская работа по образованию монокристаллических алмазов с различными включениями аналогичными природным», — рассказала Баталёва.

Она отметила, что много работ, выполняемых в лаборатории, нацелено на моделирование условий образования алмаза в зонах субдукции — это когда окисленные породы земной коры подгружаются в восстановленную мантию. Подобный глобальный процесс делает возможной реализацию окислительно-восстановительных реакций на больших глубинах, в том числе реакций с образованием алмаза.

«Мы провели ряд экспериментов по взаимодействию карбоната (соль угольной кислоты) с железом и с карбидом железа (соединение углерода с металлом). В результате был осуществлён синтез алмаза с разными примесями и типами включений и определены возможные механизмы природного алмазообразования. Опубликована статья в американском журнале PNAS с высоким рейтингом, получившая хорошее признание», — сообщила собеседница.

Как добавил Пальянов, нерешенных вопросов по проблеме образования природных алмазов и получению алмазов со специальными свойствами в лаборатории хватит многим поколениям учёных, и подчеркнул, что успехи последних лет стали возможны благодаря гранту Российского научного фонда.

28 января, 2022
Ученые синтезировали адсорбент из семян папайи
Международный коллектив ученых синтезировал адсорбент для очистки сточных вод. Этот адсорбент на&n...
28 января, 2022
Химики МГУ выяснили механизм фотопереноса электрона флуоресцентного белка
Сотрудники кафедры физической химии химического факультета МГУ совместно с учеными из Университетс...