_ Oamenii de știință dezvoltă un lichid nou sistem de aliaje metalice pentru sintetizarea diamantului în condiții moderate

Știați că 99% din diamantele sintetice sunt produse în prezent folosind metode de înaltă presiune și temperatură înaltă (HPHT)? O paradigmă predominantă este aceea că diamantele pot fi cultivate folosind catalizatori metalici lichizi în „intervalul de presiune gigapascal” (de obicei 5-6 GPa, unde 1 GPa este aproximativ 10.000 atm) și de obicei în intervalul de temperatură de 1.300-1.600 ° C.

Cu toate acestea, diamantele produse folosind HPHT sunt întotdeauna limitate la dimensiuni de aproximativ un centimetru cub datorită componentelor implicate. Adică, atingerea unor presiuni atât de mari se poate face doar la o scară de lungime relativ mică. Descoperirea unor metode alternative de a face diamante în metal lichid în condiții mai blânde (în special la presiune mai scăzută) este o provocare științifică de bază interesantă care, dacă ar fi realizată, ar putea revoluționa producția de diamante. Ar putea fi contestată paradigma dominantă?

O echipă de cercetători condusă de directorul Rod RUOFF la Centrul pentru Materiale Multidimensionale de Carbon (CMCM) din cadrul Institutului pentru Științe de Bază (IBS), inclusiv studenți absolvenți de la Ulsan National Institutul de Știință și Tehnologie (UNIST), au crescut diamante în condiții de presiune de 1 atmosferă și la 1.025°C folosind un aliaj metalic lichid compus din galiu, fier, nichel și siliciu, rupând astfel paradigma existentă. Cercetarea a fost publicată în revista Nature.

Descoperirea acestei noi metode de creștere deschide multe posibilități pentru studii științifice de bază și pentru extinderea creșterii diamantelor în moduri noi.

Directorul Ruoff, care este și profesor distins UNIST, spune: „Această descoperire de pionierat a fost rezultatul ingeniozității umane, al eforturilor neîntrerupte și al cooperării concertate a multor colaboratori.”

Cercetătorii conduși de Ruoff au condus o serie de experimente, care implică câteva sute de ajustări ale parametrilor și o varietate de abordări experimentale înainte ca acestea să reușească, în sfârșit, să cultive diamante folosind un sistem de vid „construit acasă” cu perete rece.

Ruoff adaugă: „Noi ne conduceam studii parametrice într-o cameră mare (numită RSR-A cu un volum interior de 100 de litri) și căutarea noastră pentru parametrii care ar conduce la creșterea diamantului a fost încetinită din cauza timpului necesar pentru pomparea aerului (aproximativ 3 minute), purjare cu inert. gaz (90 minute), urmat de pompare din nou la nivelul vidului (3 minute), astfel încât camera să poată fi apoi umplută cu o presiune de 1 atmosferă de amestec de hidrogen/metan destul de pur (din nou 90 de minute); adică cu peste 3 ore înainte ca experimentul să poată fi început!

„L-am rugat pe Dr. Won Kyung Seong să proiecteze și să construiască o cameră mult mai mică pentru a reduce foarte mult timpul necesar pentru a începe (și a termina) experimentul cu metalul lichid expus la amestecul de metan și hidrogen.”

Seong adaugă: „Noul nostru sistem construit în casă (numit RSR-S, cu un volum interior de doar 9 litri) poate fi pompat, purjat, pompat și umplut cu amestec metan/hidrogen, într-un timp total de 15 minute. Studiile parametrice au fost foarte accelerate, iar acest lucru ne-a ajutat să descoperim parametrii pentru care diamantul crește în metalul lichid!"

The. Echipa a descoperit că diamantul crește în subsuprafața unui aliaj de metal lichid constând dintr-un amestec de 77,75/11,00/11,00/0,25 (procente atomice) de galiu/nichel/fier/siliciu atunci când este expus la metan și hidrogen la o presiune de 1 atm la ~ 1.025°C.

Yan Gong, student absolvent al UNIST și primul autor, explică: „Într-o zi cu sistemul RSR-S când am rulat experimentul și apoi am răcit creuzetul de grafit pentru a solidifica metalul lichid și am îndepărtat solidificatul. piesă de metal lichid, am observat un „model curcubeu” răspândit pe câțiva milimetri pe suprafața inferioară a acestei piese. Am aflat că culorile curcubeului se datorau diamantelor. Acest lucru ne-a permis să identificăm parametrii care au favorizat creșterea reproductibilă a diamantului. „

Formarea inițială are loc fără a fi nevoie de diamant sau alte particule de semințe utilizate în mod obișnuit în metodele convenționale de sinteză HPHT și depuneri chimice de vapori. Odată formate, particulele de diamant se îmbină pentru a forma o peliculă, care poate fi detașată cu ușurință și transferată pe alte substraturi, pentru studii ulterioare și aplicații potențiale.

Măsurătorile bidimensionale de difracție de raze X cu sincrotron au confirmat că filmul de diamant sintetizat are o puritate foarte mare a fazei de diamant. Un alt aspect intrigant este prezența centrelor de culoare vacante de siliciu în structura diamantului, deoarece a fost găsită o linie intensă de fonon zero la 738,5 nm în spectrul de fotoluminiscență excitată prin utilizarea unui laser de 532 nm.

Co- autorul Dr. Meihui Wang spune: „Acest diamant sintetizat cu centre de culoare libere de siliciu poate găsi aplicații în detectarea magnetică și în calculul cuantic.”

Echipa de cercetare a cercetat în profunzime posibilele mecanisme prin care diamantele se nucleează și se dezvoltă sub aceste noi condiții. Imaginile cu microscopul electronic cu transmisie de înaltă rezoluție (TEM) pe secțiuni transversale ale probelor au arătat o regiune amorfă subterană de aproximativ 30-40 nm grosime în metalul lichid solidificat care a fost direct în contact cu diamantele.

Co- autorul Dr. Myeonggi Choe spune: „Aproximativ 27% dintre atomii care erau prezenți la suprafața superioară a acestei regiuni amorfe erau atomi de carbon, concentrația de carbon scăzând cu adâncimea.”

Ruoff adaugă: „Prezența o concentrație atât de mare de carbon „dizolvată” într-un aliaj bogat în galiu ar putea fi neașteptată, deoarece carbonul nu este solubil în galiu. Acest lucru poate explica de ce această regiune este amorfă, în timp ce toate celelalte regiuni ale metalului lichid solidificat sunt cristalină. Această regiune de sub suprafață este locul unde diamantele noastre se nucleează și cresc și astfel ne-am concentrat asupra ei.”

Cercetătorii au expus metalul lichid Ga-Fe-Ni-Si la metan/hidrogen pentru perioade scurte de timp. timpul să încercăm să înțelegem stadiul timpuriu de creștere — cu mult înainte de formarea unui film continuu de diamant. Ei au analizat apoi concentrațiile de carbon din regiunile subterane folosind profilul de adâncime prin spectrometrie de masă cu ioni secundari în timpul zborului.

După o rulare de 10 minute, nu au fost evidente particule de diamant, dar au existat ~65% at% atomi de carbon prezenți în regiunea în care diamantul crește de obicei. Particulele de diamant au început să fie găsite după o rulare de 15 minute și a existat o concentrație mai scăzută a atomului de C sub suprafață de ~27 at%.

Ruoff spune: „Concentrația atomilor de carbon de sub suprafață este atât de mare în jur. 10 minute în care această expunere de timp este aproape sau la suprasaturare, ceea ce duce la nuclearea diamantelor fie la 10 minute, fie cândva între 10 și 15 minute 10 minute și 15 minute."

Temperatura în 27 de locații diferite din metalul lichid a fost măsurată cu un atașament la camera de creștere având o serie de nouă termocupluri care a fost proiectat și construit de Seong. S-a constatat că regiunea centrală a metalului lichid se află la o temperatură mai scăzută în comparație cu colțurile și părțile laterale ale camerei. Se crede că acest gradient de temperatură este cel care conduce difuzia carbonului spre regiunea centrală, facilitând creșterea diamantelor.

Echipa a descoperit, de asemenea, că siliciul joacă un rol esențial în această nouă creștere a diamantului. Dimensiunea diamantelor crescute devine mai mică și densitatea lor mai mare pe măsură ce concentrația de siliciu din aliaj crește de la valoarea optimă. Diamantele nu ar putea fi cultivate deloc fără adăugarea de siliciu, ceea ce sugerează că siliciul poate fi implicat în nuclearea inițială a diamantului.

Acest lucru a fost susținut de diferitele calcule teoretice efectuate pentru a descoperi factorii care pot fi responsabil pentru creșterea diamantelor în acest nou mediu de metal lichid. Cercetătorii au descoperit că siliciul promovează formarea și stabilizarea anumitor clustere de carbon prin formarea predominant de legături sp3 precum carbonul. Se crede că grupurile mici de carbon care conțin atomi de Si ar putea servi drept „pre-nuclee”, care pot crește apoi și mai mult pentru a nuclea un diamant. Se prevede că intervalul probabil de mărime pentru un nucleu inițial este de aproximativ 20 până la 50 de atomi de C.

Ruoff spune: „Descoperirea noastră a nucleării și creșterii diamantului în acest metal lichid este fascinantă și oferă multe oportunități interesante. Pentru mai multe științe de bază, acum explorăm „când” nuclearea și, astfel, creșterea rapidă ulterioară a diamantului, se întâmplă. declanșează nuclearea – sunt câteva studii care ni se par promițătoare.”

Echipa a descoperit că metoda lor de creștere oferă o flexibilitate semnificativă în compoziția metalelor lichide. Cercetătorul Dr. Da Luo spune: „Creșterea noastră optimizată a fost realizată folosind aliajul lichid galiu/nichel/fier/siliciu. Cu toate acestea, am descoperit că diamantul de înaltă calitate poate fi cultivat prin înlocuirea nichelului cu cobalt sau prin înlocuirea galiului cu un galiu. - amestec de indiu."

Ruoff conchide: "Diamantul poate fi cultivat într-o mare varietate de aliaje metalice lichide cu punct de topire relativ scăzut, cum ar fi care conțin unul sau mai multe dintre indiu, staniu, plumb, bismut, galiu și potențial antimoniu și teluriu - și incluzând în aliajul topit și alte elemente precum mangan, fier, nichel, cobalt și așa mai departe ca catalizatori și altele ca dopanți care produc centre de culoare Și există o gamă largă de precursori de carbon disponibile în afară de metan. diverse gaze, precum și carboni solizi).

„Noile modele și metode pentru introducerea atomilor de carbon și/sau a grupurilor mici de carbon în metale lichide pentru creșterea diamantelor vor fi cu siguranță importante, iar creativitatea și ingeniozitatea tehnică a Comunitatea de cercetare din întreaga lume mi se pare probabil, pe baza descoperirii noastre, să conducă rapid la alte abordări conexe și configurații experimentale. Există numeroase căi interesante de explorat!”

(Fluierul)