О чём говорят нанополости внутри алмаза
Коллектив исследователей из Института физической химии и электрохимии им. А.Н. Фрумкина Российской академии наук, 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.
Специалисты обнаружили в кристалле неизвестные ранее наноразмерные полости, которые указывают то, что алмаз подвергался пластической деформации при высоких температурах. Результаты исследования опубликованы в журнале «Геология и геофизика».
Алмазы были известны человечеству ещё до начала нашей эры, но только в XVIII веке было доказано, что алмаз — это самородный углерод. Большинство природных алмазов образовались глубоко в мантии Земли, на глубине 150–—250 км, при температурах от 900 до 1300 градусах и давлениях в 50 тысяч раз выше атмосферного. Кристалл алмаза это трёхмерная сетка из тетраэдров, в центре и четырёх вершинах которых находятся атомы углерода. Каждый атом решётки связан с четырьмя соседями.
В подавляющем большинстве природных алмазов присутствуют примеси. Чаще всего при росте кристалла алмаза бывают захвачены и встроены в кристаллическую решётку 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 так называемыми собственными дефектами (вакансии и межузельные атомы). Эти дефекты определяют многие физические свойства алмазных кристаллов, в частности, придают окраску.
При длительном — в течение миллионов и миллиардов лет — нагреве в мантии атомы азота мигрируют и объединяются в пары (A-центры, тип алмаза IaA) и четвёрки (B-центры, тип IaB). Одиночный атом азота, замещающий углерод в решётке — это нестабильное состояние; среди природных алмазов мало кристаллов с высокими концентрациями таких дефектов (тип Ib).
Сотрудники ИФХЭ РАН исследовали природный кристалл алмаза комплексом аналитических методов, позволяющим получить информацию о структуре и дефектности вещества на разных уровнях. В структуре кристалла были обнаружены многочисленные дислокации (линейное нарушение правильного порядка атомов в кристалле, например, как вырванная из книги половина страницы), дислокационные петли и скопления точечных дефектов, возникших при движении дислокаций.
Наибольший интерес представляет впервые обнаруженный тип дефектов, которые можно представить как тонкие (1–3 нм) ромбические пластины размером до 20 нм. В этих областях отсутствуют примесные элементы (возможно, присутствует водород), а анализ контраста на ПЭМ-изображениях указывает на низкую плотность материала. Эти наблюдения позволяют предположить, что эти «пластины» являются вакансионными кластерами, т.е. их можно описать как нанополости в кристаллической решётке. Данные нанополости часто образуют скопления, залегающие вдоль выделенных кристаллографических направлений. «Наиболее интересным результатом данного исследования можно считать обнаружение нового типа протяжённых дефектов в алмазе», — отметил главный научный сотрудник лаборатории новых физико-химических проблем ИФХЭ РАН доктор химических наук профессор РАН Андрей Альбертович Ширяев.
«Мы предполагаем, что эти дефекты образуются в результате взаимодействия дислокаций. Дислокации, естественно, нарушают правильную кристаллическую решётку. Под действием нагрузки дислокации перемещаются. Когда две дислокации сближаются на критическое расстояние, то, в зависимости от условий деформации кристалла (температура, скорость деформации и другие), 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 счёт вакансий, генерируемых движущимися дислокациями. Однако механизм стабилизации и роста обнаруженных нами дефектов пока неясен», — прокомментировал Андрей Альбертович.
В зоне, где расположены нанополости, при возбуждении инфракрасным лазером наблюдались многочисленные узкие полосы фотолюминесценции; при этом набор люминесцирующих центров сильно различался в областях, находящихся на расстоянии в единицы микрон. Авторы предположили связь между люминесцирующими центрами и процессами переноса заряда на поверхности нанополостей. Аналогичные явления ранее наблюдались в некоторых лабораторно-выращенных наноалмазах.
Результаты настоящего исследования 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.
Работа выполнена при поддержке Министерства науки и высшего образования Российской Федерации.
Текст: Ольга Макарова.
Источник: пресс-служба Минобрнауки России.
