Инженеры вырастили алмаз, похожий на природный, но вдвое тверже — и большой

Китайские ученые вырастили алмаз вдвое тверже природного. В отличие от гексагонального алмаза с его «инопланетной» структурой, новый материал обладает вполне земным строением — и весьма внушительными размерами.

Результаты экспериментов опубликованы в Nature Communications. Они стали первым доказательством, что можно одновременно достичь и дюймовых масштабов, и экстремально высокой твердости. Диаметр алмазной пластины — до 5 дюймов, толщина — 3 мм, твердость по Виккерсу более 200 ГПа.

Алмаз по праву считается полупроводником будущего благодаря своей исключительной теплопроводности, высокому пробивному напряжению, радиационной стойкости и механической прочности, которые намного превосходят показатели традиционных материалов вроде кремния или карбида кремния. Однако получение дюймовых, не содержащих связующих добавок сверхтвердых алмазов долгое время оставалось невозможным из-за ограничений классических методов высоких давлений и температур.

Команда доработала установку микроволнового плазмохимического осаждения и применила стратегию высокочастотного импульсного легирования азотом. Это позволило создать среду с быстро меняющимися условиями прямо в процессе роста алмаза. Благодаря точному контролю над составом плазмы и параметрами синтеза ученые получили отдельную алмазную пластину диаметром 5 дюймов. Высокочастотная импульсная подача азота вызывает за сверхкороткое время резкие колебания и в составе активных частиц плазмы, и в температуре роста. Это улучшает перестройку поверхности и контроль над дефектами, а также способствует формированию нужной микроструктуры.

Механические испытания показали, что твердость по Виккерсу такого алмаза достигает 208,3 ГПа — вдвое больше, чем у обычных алмазов. К тому же сверхтвердая пластина отличается исключительной износостойкостью и стабильностью. Устойчивость к истиранию примерно в семь раз выше, чем у привычных поликристаллических алмазных подложек, и она способна оставлять четкие царапины на высококачественных монокристаллических алмазных поверхностях.

Просвечивающая электронная микроскопия высокого разрешения раскрыла природу такой рекордной твердости. Ее обеспечивает трехмерная сеть переплетающихся дефектов упаковки с плотностью до 4,3⋅10¹² см⁻², которая эффективно подавляет движение дислокаций. Спектроскопия характеристических потерь энергии электронов и расчеты из первых принципов указывают на то, что внедрение азота заметно снижает энергию образования дефектов упаковки, способствуя их стабильному образованию в процессе роста.

Успешное создание дюймовых сверхтвердых алмазных пластин открывает новые горизонты для применения алмаза в электронике для экстремальных условий, передовом производстве и системах отвода тепла для полупроводников.

«Заглядывая в будущее, могу сказать, что ключом к созданию полупроводниковых и оптоэлектронных устройств нового поколения на основе алмаза станет возможность управляемо модулировать его микроструктуру и зонную структуру. Благодаря своей высокой твердости и механической стабильности выращенная нами пластина может стать идеальной платформой для алмазных микроэлектромеханических систем и наноструктур, что приблизит промышленное внедрение устройств, использующих эффект механического напряжения», — подытожил профессор Лу Ян с Инженерного факультета Гонконгского университета, один из руководителей исследования.