Diamanten zijn prachtige edelstenen, die dankzij hun glinsterende schittering en transparantie prachtig staan ​​in sieraden, maar ruwe diamanten zijn vanuit wetenschappelijk oogpunt veel interessanter. De fysische en chemische eigenschappen van diamant hebben het tot een cruciaal onderdeel gemaakt voor veel apparaten in de optica en elektronica.

Een van de veelbelovende onderzoeksgebieden naar technologische toepassingen van diamant is de metallisatie van diamantoppervlakken, die wordt gebruikt om het diamantoppervlak nieuwe kenmerken te geven, zoals superieure thermische geleidbaarheid, goede thermische stabiliteit, verbeterde bevochtigbaarheid en de oorspronkelijke fysische en chemische eigenschappen ervan.

Een groep wetenschappers van Skoltech, het Lebedev Physical Institute van de Russische Academie van Wetenschappen en andere vooraanstaande wetenschappelijke organisaties hebben een manier gevonden om de adhesie van diamant – de binding tussen diamant en overgangsmetaal – te verbeteren met behulp van niobium. Het onderzoek werd gepubliceerd in het Journal of Alloys and Compounds .

"Diamant heeft twee beperkingen die verband houden met de synthese van groot diamantsubstraat en de slechte hechting van metalen contacten aan het diamantoppervlak. Toen we bijvoorbeeld werkten aan detectoren voor ioniserende straling en contacten van goud en andere materialen toepasten, was de hechting van Dergelijke contacten met diamant waren erg slecht. Op dat moment vroegen we ons af hoe we deze slechte hechting konden overwinnen”, legt Stanislav Evlashin uit, co-auteur van het onderzoek en assistent-professor aan het Materials Center van Skoltech.

Een van de meest effectieve manieren om diamanten te metalliseren is door het te sinteren met metalen als titanium, chroom, tantaal, zirkonium en andere. Wanneer ze interageren met koolstof, wordt een laag metaalcarbide gevormd. De auteurs van het onderzoek kozen voor niobium vanwege het vermogen om chemisch stabiele films van niobiumcarbiden op het diamantoppervlak te vormen.

"We probeerden een supergeleider op het diamantoppervlak te creëren en realiseerden ons dat als we er niobium op afzetten en het vervolgens uitgloeien, tijdens het uitgloeien de volgende fasetransformaties optreden:de niobiumfilm verandert na verhitting in de Nb₂C-verbinding en na verdere verwarming boven 1200 graden. graden – naar NbC”, vervolgt Stanislav Evlashin.

"Theoretische berekeningen van het constante rooster van niobiumcarbide, afhankelijk van de concentratie van koolstofdefecten - vaak is er in het experiment een koolstoftekort - hebben aangetoond dat de gebruikte synthesemethode van niobiumcarbide op diamant het mogelijk maakt om niobiumcarbide van hoge kwaliteit te verkrijgen met een roosterparameter dicht bij defectvrij materiaal", zegt Alexander Kvashnin, co-auteur van de studie en professor aan het Energy Transition Center.

"Berekeningen van de supergeleidende eigenschappen van niobiumcarbide lieten een supergeleidende overgang zien bij een temperatuur van 19,4 K, wat dichtbij de experimenteel gemeten waarde bleek te liggen. De resultaten geven ook de hoge kwaliteit van de experimenteel verkregen film aan."

"Met name de lage concentratie van defecten in de verkregen niobiumcarbidefilm leidt tot voldoende hoge waarden van elektronendiffusie, vergeleken met andere op niobium gebaseerde legeringen. En dit, samen met de waargenomen supergeleidende eigenschappen, is van praktisch belang voor kwantumdetectieapparatuur, " voegde Anna Kolbatova toe, co-auteur van de studie en onderzoekswetenschapper aan de Pedagogische Staatsuniversiteit van Moskou.

De onderzoekers bewezen dat de verkregen niobiumcarbidelaag supergeleidende eigenschappen heeft. Als deze film op het oppervlak van diamant wordt aangebracht, is het mogelijk supergevoelige detectoren te creëren vanwege de hoge thermische geleidbaarheid. De hoge thermische geleidbaarheid van diamant helpt signalen te detecteren; dit zou veel sneller gebeuren dan bij andere materialen.

Het onderzoek omvatte twee projecten. Het eerste project, "Onderzoek naar het effect van legeringselementen op de elektrochemische eigenschappen van nanogestructureerde koolstofmaterialen voor het creëren van veelbelovende stroombronnen", heeft tot doel resultaten te verkrijgen die kunnen worden gebruikt om elektrochemische bronnen van een nieuwe generatie te creëren. Het tweede project, "Een nieuwe generatie kwantumdetectoren en bronnen van afzonderlijke fotonen, gebaseerd op tweedimensionale Van der Waals-structuren", heeft tot doel apparaten voor kwantumdetectie te ontwikkelen die de traditionele moeten overtreffen.

Onder degenen die ook bijdragen aan het onderzoek zijn Julia Bondareva, Fedor Fedorov, Alexander Egorov en Nikita Matsokin.

Meer informatie: R.A. Khmelnitsky et al, Synthese en karakterisering van dunne films van niobiumcarbide op diamantoppervlak voor supergeleidende toepassing, Journal of Alloys and Compounds (2023). DOI:10.1016/j.jallcom.2023.173266.

Aangeboden door Skolkovo Instituut voor Wetenschap en Technologie