Алмазы известны не только своей привлекательной формой и прозрачностью, но и рядом физико-механических свойств: высокой твёрдостью, теплопроводностью, большим показателем преломления. Чтобы применять алмазы в оптике, электронике и электрохимии, их подвергают металлизации: наносят на матрицу алмаза тонкий слой переходного металла. Группа учёных из Сколтеха, Физического института им. 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 нём 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 плёнки 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 неё наносить ниобий, а потом его отжигать и получать карбид ниобия, то при отжиге происходит химическая реакция с поверхностью и возникают следующие превращения: плёнка ниобия после нагрева переходит в соединение Nb₂C, и после дальнейшего нагрева больше 1200 ℃ она переходит в NbC», — продолжил Станислав Евлашин.
Визуализация исследования.
«Теоретические расчёты постоянной решётки 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 решётки, близкой к бездефектному материалу. Расчёты 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 плёнки», — 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 плёнку на поверхность алмаза, то за счёт 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» (№ 22-73-10198) 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» (№ 21-72-10117) ведётся 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 учёные Юлия Бондарева, Фёдор Федоров, Александр Егоров и Никита Мацокин.