Ученые определили механизм повреждения кристаллической решетки алмаза, лежащий в основе технологии нанесения уникальных меток на драгоценные камни с помощью лазера. Такие метки, подобно QR-коду, позволяют опознать каждый отдельный драгоценный камень и избежать подделок, но пока не используются массово. Знание механизма повреждения алмаза позволит доработать устройства для промышленного применения технологии. Результаты исследования, поддержанного грантом Президентской программы Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале Carbon.
Вид алмаза в ультрафиолетовом свете. Источник: Сергей Кудряшов
Запись меток и съемка спектров комбинационного рассеяния. Источник: Сергей Кудряшов
Сегодня нет эффективной системы для отслеживания каждого драгоценного камня в цепочке добычи, продажи и огранки ювелирных изделий. Существующие подходы регистрации природных алмазов основаны на простом фотографировании внешнего вида кристаллов, трехмерном сканировании их формы или записи цифрового кода на пояске бриллиантов. Такие методы не позволяют точно определить драгоценный камень, а также недостаточно надежны. Альтернативой может служить фотолюминесцентная маркировка в объеме камня с использованием очень коротких лазерных импульсов. В этом случае внутри драгоценного камня лазер меняет атомную структуру примесей, содержащихся в камне — например, азота, — и тем самым создает на атомном уровне микрорисунок в виде QR-кода.
Такие записи нельзя рассмотреть невооруженным глазом, а также невозможно удалить, поэтому они используются для индивидуальной маркировки достаточно крупных и дорогих камней. Такие повреждения не влияют на чистоту камня, так как крайне малы. Однако, поскольку каждый драгоценный камень имеет индивидуальную структуру, а также состав и концентрацию примесей, универсальный механизм изменения структуры примесей в кристаллической решетке алмаза пока не известен. Это ограничивает использование технологии в промышленных масштабах.
Ученые из Физического института имени П. Н. Лебедева РАН (Москва) определили основные процессы, приводящие к изменению структуры примесей в кристаллической решетке алмаза при нанесении QR-кода. Авторы использовали метод комбинационного рассеяния света, который позволяет изучить взаимодействие света и вещества на атомном уровне, а потому и обнаружить микроскопические дефекты кристаллической решетки внутри алмаза. Для этого образец облучают лазером и анализируют рассеянный свет. Когда свет взаимодействует с веществом, он может изменять свою энергию, испуская или поглощая кванты движения кристаллической решетки — фононы.
Исследователи выяснили, что под действием лазера в кристаллической решетке алмаза возникают колебания атомов кристалла. На уровне элементарной ячейки кристалла последний процесс приводит к искажению и повреждению кристаллической решетки — атом углерода покидает ее узел, уходя в междоузлие и оставляя на прежнем месте пустоту (вакансию), то есть дефект. Эти дефекты взаимодействуют с примесными атомами азота, изменяя их структуру и спектр поглощения. При этом возбуждаемые лазером колебания части решеток кристалла одновременно можно использовать для диагностики состояния решетки, например, для определения концентрации дефектов. Таким образом, метод позволяет не только наносить микроповреждения, но и отслеживать их.
Фотолюминесцентная визуализация микрометок в объеме алмаза. Источник: Сергей Кудряшов
Такой механизм микромаркировки характерен не только для алмаза, но и других прозрачных кристаллических сред, например, для кварца, поскольку в этом случае также будет изменяться структура и оптические характеристики атомов в кристаллической решетке. Четкое понимание основных процессов в лазерных технологиях позволяет расширить возможности и оптимизировать процессы нанесения микрометок.
«Наше исследование показывает, что при микромаркировке один и тот же лазер повреждает кристаллическую решетку алмаза, изменяет структуру его азотных примесных центров и одновременно диагностирует эти процессы с помощью комбинационного рассеяния. Результат работы позволит выбрать оптимальные условия для этого технологического процесса для широкого круга алмазов и других драгоценных камней. В дальнейшем мы планируем провести исследования с другими драгоценными камнями для уточнения механизма повреждения кристаллической решетки», — рассказывает руководитель проекта, поддержанного грантом РНФ, Сергей Кудряшов, доктор физико-математических наук, ведущий научный сотрудник Физического института имени П. Н. Лебедева РАН.
