Алмазы известны не только своей привлекательной формой и прозрачностью, но и рядом физико-механических свойств: высокой твердостью, теплопроводностью, большим показателем преломления. Чтобы применять алмазы в оптике, электронике и электрохимии, их подвергают металлизации — наносят на матрицу алмаза тонкий слой переходного металла.
Группа ученых из Сколтеха, Физического института имени П. Н. Лебедева РАН и других ведущих научных организаций выяснила, как улучшить адгезию алмаза — то есть связь между алмазом и переходным металлом — с помощью ниобия.
Работа опубликована в журнале Journal of Alloys and Compounds.
«У алмаза есть два ограничения, связанные с синтезом больших пластин и его металлизацией: когда мы начинаем металлизировать алмаз, то большинство контактов на нем не держится. Например, когда мы работали над детекторами для ионизирующего излучения и наносили золото и другие материалы, адгезия контактов к алмазу была очень плохой. В тот момент мы задались вопросом, как можно улучшить адгезию контактов к алмазу», — объяснил соавтор исследования, старший преподаватель в Центре технологий материалов Сколтеха Станислав Евлашин.
Один из наиболее эффективных способов металлизации алмазов — его спекание с такими металлами, как титан, хром, кремний, тантал, цирконий и другими. При их взаимодействии с углеродом формируется слой карбида металла. Авторы исследования остановили свой выбор на ниобии из-за его способности образовывать химически стабильные пленки карбидов ниобия на поверхности алмаза, которые отличаются хорошей сверхпроводимостью, высокой температурой плавления и механической прочностью.
«Мы попытались сделать сверхпроводник на поверхности алмаза и пришли к тому, что если на нее наносить ниобий, а потом его отжигать и получать карбид ниобия, то при отжиге происходит химическая реакция с поверхностью и возникают следующие превращения: пленка ниобия после нагрева переходит в соединение Nb₂C, и после дальнейшего нагрева больше 1200 градусов она переходит в NbC», — продолжил Станислав Евлашин.
«Теоретические расчеты постоянной решетки карбида ниобия в зависимости от концентрации дефектов по углероду — зачастую в эксперименте наблюдается дефицит углерода — показали, что использованный способ синтеза карбида ниобия на алмазе позволяет получать карбид ниобия высокого качества, с параметром решетки, близкой к бездефектному материалу. Расчеты сверхпроводящих характеристик карбида ниобия показали сверхпроводящий переход при температуре 19,4 K, что оказалось близким к экспериментально измеренному значению. Полученный результат также говорит о высоком качестве экспериментально полученной пленки», — пояснил соавтор исследования, профессор Проектного центра по энергопереходу Александр Квашнин.
«Стоит отметить, что низкая концентрация дефектов в полученном карбиде ниобия приводит к достаточно высоким значениям электронной диффузии, в сравнении с другими сплавами на основе ниобия. А это совместно с наблюдаемыми сверхпроводящими характеристиками представляет практический интерес для устройств квантового детектирования», — добавила соавтор исследования, научный сотрудник Московского педагогического государственного университета Анна Колбатова.
Исследователи пришли к выводу, что полученный карбид ниобия обладает свойством сверхпроводимости. Если наносить эту пленку на поверхность алмаза, то за счет высокой теплопроводности можно делать сверхчувствительные детекторы. Обнаруживать сигналы поможет высокий теплоотвод в алмазе — он происходит намного быстрее, чем в других материалах.
Работа выполнена в рамках двух грантов РНФ. Проект «Исследование влияния легирующих элементов на электрохимические характеристики наноструктурированных углеродных материалов для создания перспективных источников тока» нацелен на получение результатов, которые могут быть использованы для создания электрохимических источников нового поколения. В рамках проекта «Новое поколение квантовых детекторов и источников одиночных фотонов на основе двумерных Ван-дер-Ваальс структур» ведется работа над устройствами для квантового детектирования, которые должны превзойти по характеристикам устройства, созданные с помощью традиционных технологий нанопроизводства. В работе над исследованием также приняли участие ученые Юлия Бондарева, Федор Федоров, Александр Егоров и Никита Мацокин.