Микроволны довели алмаз до хрустальной чистоты

Ученые из Геофизической лаборатории Вашингтонского института Карнеги (Geophysical Laboratory, Carnegie Institution of Washington, Washington DC), похоже, наконец-то нашли новый способ получения крупных искусственных алмазов ювелирного качества. К тому же еще и недорогой. Совершит ли это открытие переворот на рынке ювелирных алмазов – пока сказать сложно. Но для науки и техники открытие, безусловно, важное.

Немного истории

Человечество давно мечтало научиться делать искусственные алмазы. Начиная с XVII века ученые ставили опыты с алмазами. И в конце концов поняли, что по своему химическому составу он идентичен саже, углю и графиту (то есть, как знаем мы теперь, состоит из атомов углерода). Только вот получить алмаз из угля или графита не удавалось – ведь ничего не было известно о строении вещества. К тому же техника того времени не достигла должного уровня. В начале ХХ века советские теоретики построили кусочек фазовой диаграммы, из которой стало ясно, как именно можно из графита получить алмаз: для этого необходимы высокие температура и давление. С тех пор в разных странах бились над получением искусственного алмаза. И к середине века достигли успеха. По сути, условия синтеза искусственных алмазов имитируют природные: природные алмазы образуются глубоко (в нескольких километрах от поверхности) в земных слоях, нагреваемых мантией.

С тех пор технологии получения алмазов продвинулись довольно значительно. Искусственные алмазы сейчас химически чистые. Только вот крупные алмазы получать не удалось: в основном промышленные алмазы -- это мелкая крошка, которая используется как абразивный материал. А получение более или менее крупных искусственных алмазов весом до 1 карата – процесс технологически очень сложный. Производят такие кристаллы штучно, а стоимость их получения превышает рыночную стоимость природных алмазов.

[v1]

Собственно, основная проблема – достижение высоких давлений. Ведь если достичь температуры в 1600--2500°С довольно просто, то для создания давлений в несколько десятков гигапаскаль (то есть десятки тысяч атмосфер) необходимы очень массивные и одновременно очень точные промышленные прессы. Рабочий объем в таких прессах совсем небольшой – и это дополнительно (вдобавок к низкой скорости роста и увеличению количества дефектов с ростом размера получаемого кристалла) ограничивает размер искусственных алмазов.

Зато самые лучшие искусственные алмазы превосходят натуральные по некоторым параметрам. В них содержится меньше кристаллических дефектов-примесей, и они распределены равномерно. А в натуральных камнях количество примесей увеличивается от центра к поверхности.

[v2]

Метод плазменного CVD

Так как именно приложение высоких давлений требовало наиболее серьезных технологических и материальных затрат, ученые попытались найти способ чем-то заменить его вклад. И нашли такой способ – метод плазменного CVD. Суть его состоит в следующем. В рабочий реактор вводят поток углеродсодержащего газа (чаще всего это метан), который под воздействием микроволнового излучения превращается в плазму -- поток ионизированных атомов углерода. Это, конечно, не та плотная плазма, из которой состоит земное ядро или солнце, а разреженный газ из ионизированных частиц. Ионы углерода ударяются о подложку -- зародыш будущего кристалла, в качестве которого используется тонкая пластинка из искусственного или природного алмаза, и «достраивают» его структуру. Так растет алмаз. Только вот очень медленно. Долгие годы ученые работали с этим методом, но никак не могли увеличить скорость роста кристалла. Она составляла от сотен нанометров до нескольких микрон. То есть, чтобы вырастить алмаз толщиной 1 мм, эксперимент должен длиться обычно несколько суток.

Однако в начале нашего столетия группа Рассела Химли (Russell J. Hemley) из Университета Карнеги добилась значительного прогресса в усовершенствовании этого метода. Изучив накопленный международный опыт, они подобрали необходимые температуру и давление и ввели в реакционную систему азот. Азот значительно увеличивает скорость роста алмаза, что было замечено и в синтезе с помощью высоких давлений. Но использовать его в CVD догадались именно в группе Химли. В 2002 году они сообщили о скоростях 50--150 микрон в час. Правда, сначала алмазы получались коричневыми или желтыми – из-за включений атомов азота в структуре кристалла. А в 2005 году экспериментаторы сообщили, что им удалось вырастить совершенно бесцветный кристалл весом в 10 карат и длиной 12 мм (остальные размеры не указываются, да это и не так важно – ведь они совпадают в площадью подложки). При этом скорость роста образца составляла 100 мкм/час, то есть их довольно крупный образец был выращен где-то за пять суток. Тогда же ученые заявили о своих планах увеличить скорость до 1 мм/час, более точно регулируя различные параметры эксперимента.

Новые достижения

Как следует из последних сообщений группы, ускорить рост алмаза им удалось. Правда, это не лучшим образом сказалось на качестве получаемых кристаллов: они снова росли желтыми или коричневыми. Тут ученые вспомнили об известном ранее методе улучшения качества уже выращенных кристаллов: отжигать их под высоким давлением. Конечно, этот метод очень несовершенен: он дорог и не позволяет обрабатывать крупные камни. То есть проблемы все те же, что и с получением кристаллов стандартными промышленными методами в нагреваемых прессах. Так что экономия, достигнутая на этапе роста кристалла, «съедается» дороговизной и сложностью его последующей обработки. Но если влияние такого недешевого давления удалось заменить действием гораздо более дешевой плазмы в процессе роста кристалла, то почему бы не попробовать произвести ту же замену и на этапе обработки, подумали ученые.

Авторы работы утверждают, что их ожидания оправдались. Они отжигали коричневые алмазы при давлении 0,4 атмосферы и температурах от 1600°С до 2200°С. При этом кристалл лежал в атмосфере из водорода и такой же созданной при помощи микроволн углеродной плазмы, что и при синтезе кристалла. Азот из «отжигающией» атмосферы, конечно, убрали.

Алмазы начали обесцвечиваться. Точнее, при небольшом времени отжига или температуре ниже 1700°С коричневые алмазы превращались в розовые, а уже при более жесткой обработке становились совсем бесцветными. Причем бесцветными в области от ультрафиолетового до инфракрасного излучения: это было доказано методом абсорбционной спектроскопии. А с помощью другой спектроскопии – фотолюминесцентной -- им удалось выяснить, чем именно объясняется окраска алмазов и как она исчезает: это связано с постепенным выводом из структуры кристалла дефектов. При отжиге углерод вытесняет азотные вкрапления из объема камня.

[v4]

Последствия

Дешевый способ производства крупных химически чистых монокристаллических алмазов открывает новые горизонты для ученых и инженеров. Из таких алмазов можно будет изготавливать сверхпрочные наковальни для экспериментов с высоким давлением, оптические окна для лазеров и ставить различные эксперименты для высокоточного измерительного оборудования. К тому же сейчас набирает обороты так называемая алмазная электроника, которой требуются материалы с контролируемым содержанием примесей и, соответственно, физическими свойствами.

Группа Химли также высказала предположение, что их розовый вариант алмаза может в будущим служить рабочим элементом квантового компьютера. В качестве кубитов, или квантовых точек, смогут выступать равномерно распределенные точечные дефекты в структуре кристалла.

[v5]

Ювелиры не пострадают

По словам авторов, промышленное производство искусственных алмазов не угрожает крахом алмазодобывающей промышленности. Во-первых, для запуска промышленного производства потребуется время. Во-вторых, делать из сверхчистых качественных алмазов бриллианты расточительно: за ними выстроится очередь из представителей научно-технологического сообщества. А в-третьих, и это главное, на ювелирном рынке ценятся именно природные камни. И за уникальность их происхождения, и за связанные с ними истории. А отличить натуральный алмаз от искусственного современные методы ювелирам позволяют.