Открыт новый тип дефектов в алмазе
Коллектив исследователей из ИФХЭ РАН, Санкт-Петербургского горного университета, НИЦ «Курчатовский институт» и Института геологии и геохимии УрО РАН детально изучил микроструктуру алмаза с так называемыми Y-центрами из кимберлитовой трубки Юбилейная. Ученые обнаружили в кристалле неизвестные ранее наноразмерные полости, которые указывают то, что алмаз подвергался пластической деформации при высоких температурах.
Большинство природных алмазов образовались в мантии на глубине 150–250 км при температурах от 900 до 1300 оС и давлении в 50 тысяч раз выше атмосферного. Кристалл алмаза — это трехмерная сетка из тетраэдров, в центре и четырех вершинах которых находятся атомы углерода. Каждый атом решетки связан с четырьмя соседями. В подавляющем большинстве природных алмазов присутствуют примеси. Чаще всего при росте кристалла алмаза бывают захвачены и встроены в кристаллическую решетку атомы азота. Также встречается примесь водорода, бора, изредка — кремния и никеля.
Воздействие высоких температур в период образования алмаза приводит к формированию различных конфигураций примесных атомов и их комплексов с собственными дефектами (вакансии и межузельные атомы). Эти дефекты определяют многие физические свойства кристаллов алмаза, в частности, придают им окраску.
Авторы исследовали природный кристалл алмаза с помощью комплекса аналитических методов, позволяющих получить информацию о структуре и дефектности вещества на разных уровнях. В структуре кристалла ученые обнаружили многочисленные дислокации (линейные нарушения правильного порядка атомов в кристалле), дислокационные петли и скопления точечных дефектов, возникших при смещении дислокаций.
Наибольший интерес ученых вызвал впервые обнаруженный тип дефектов, которые можно представить как тонкие (1-3 нм) ромбические пластины размером до 20 нм. В этих областях отсутствуют примесные элементы, а анализ контраста на ПЭМ-изображениях указывает на низкую плотность материала. По мнению авторов, эти «пластины» являются вакансионными кластерами — их можно описать как нанополости в кристаллической решетке. Данные нанополости часто образуют скопления, залегающие вдоль определенных кристаллографических направлений.
«Наиболее интересным результатом данного исследования можно считать обнаружение нового типа протяженных дефектов в алмазе. Мы предполагаем, что эти дефекты образуются в результате взаимодействия дислокаций. Под действием нагрузки дислокации перемещаются. Когда две дислокации сближаются на критическое расстояние, то, в зависимости от условий деформации кристалла (температура, скорость деформации и др.), возможны различные варианты их поведения: они могут взаимно уничтожиться (аннигилировать), однако могут и образовать более сложные конфигурации. В частности, после аннигиляции дислокационной петли возможно образование плоской нанополости — скопления незанятых узлов решетки. В дальнейшем эти нанополости могут расти за счет вакансий, генерируемых движущимися дислокациями. Однако механизм стабилизации и роста обнаруженных нами дефектов пока неясен», — рассказал один из авторов исследования, главный научный сотрудник лаборатории новых физико-химических проблем ИФХЭ РАН, доктор химических наук, профессор РАН Андрей Ширяев.
В зоне, где расположены нанополости, при возбуждении инфракрасным лазером исследователи наблюдали многочисленные узкие полосы фотолюминесценции; при этом набор люминесцирующих центров сильно различался в областях, находящихся на расстоянии в единицы микрон. Ученые предположили связь между люминесцирующими центрами и процессами переноса заряда на поверхности нанополостей. Аналогичные явления ранее наблюдались в некоторых лабораторно выращенных наноалмазах.
По оценкам авторов исследования, его результаты не только представляют интерес для понимания минералогии алмаза и реконструкции условий его образования, но и открывают новые перспективы для управления люминесцентными свойствами этого материала, что важно для широкого спектра технологических приложений.
Исследование выполнено при поддержке Минобрнауки России.