О чем говорят нанополости внутри алмаза

Коллектив исследователей из ИФХЭ РАН, 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. Ученые обнаружили в кристалле неизвестные ранее наноразмерные полости, которые указывают то, что алмаз подвергался пластической деформации при высоких температурах.

Алмазы были известны человечеству еще 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 трехмерная сетка из тетраэдров, в центре и четырех вершинах которых находятся атомы углерода. Каждый атом решетки связан с четырьмя соседями.

В подавляющем большинстве природных алмазов присутствуют примеси. Чаще всего при росте кристалла алмаза бывают захвачены и встроены в кристаллическую решетку 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 нагреве в мантии (миллионы-миллиарды лет) атомы азота мигрируют и объединяются в пары (A-центры, тип алмаза IaA) и четвёрки (B-центры, тип IaB). Одиночный атом азота, замещающий углерод в решетке — это нестабильное состояние; среди природных алмазов мало кристаллов с высокими концентрациями таких дефектов (тип Ib).

Ученые 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 решетке. Данные нанополости часто образуют скопления, залегающие вдоль выделенных кристаллографических направлений. «Наиболее интересным результатом данного исследования можно считать обнаружение нового типа протяженных 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 решетку. Под действием нагрузки дислокации перемещаются. Когда две дислокации сближаются на критическое расстояние, то, в зависимости от условий деформации кристалла (температура, скорость деформации и др.), 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 счет вакансий, генерируемых движущимися дислокациями. Однако механизм стабилизации и роста обнаруженных нами дефектов пока неясен, — прокомментировал А.А. Ширяев.

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. Ученые 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 РФ.

Результаты исследования опубликованы в журнале «Геология и геофизика».

Текст: Ольга Макарова

Фото: ИФХЭ РАН

Источник: Минобрнауки России