Российские ученые совместно с финскими коллегами усовершенствовали метод получения алмазных игл, что делает их более доступными для различных применений, включая квантово-оптические сенсоры. Новый способ использует синтез алмаза из смеси водорода и метана при активации газовой среды методом «горячей нити». Так удается существенно увеличить производительность: можно получать алмазные покрытия на больших площадях и тонко настраивать характеристики алмазных игл. С результатами работы, поддержанной грантом Российского научного фонда (РНФ), можно ознакомиться на страницах журнала Materials.

Алмазы давно перестали быть просто дорогими камнями в украшениях, их также используют в самых разных технических областях — от применений в качестве абразивного материала до создания микроэлектронных устройств, а также в перспективных научных разработках. Это возможно благодаря уникальным свойствам алмаза: рекордные твердость и теплопроводность, химическая стойкость и биологическая инертность, прозрачность в широком диапазоне длин волн света, высокая подвижность носителей заряда и прочее. Совокупность этих свойств обеспечивает применение алмаза в передовых технологиях, в том числе делает его очень привлекательным для создания элементной базы квантовых устройств, предназначенных для обработки информации, а также разнообразных сенсоров и детекторов.

Кристаллы алмаза в виде крошечных удлиненных пирамидок обладают свойствами, необходимыми для «традиционных» применений, а также создают возможности для инновационных разработок. Одним из наиболее перспективных методов синтеза кристаллов алмаза служит осаждение из газовой фазы на подложку. В камеру подается смесь, содержащая водород и метан. Молекулы последнего химически активируются, что приводит к появлению свободных атомов углерода, которые конденсируются в виде тонкой пленки на подложке, размещенной в реакционной камере. Подбором параметров процесса осаждения можно добиться формирования углеродной пленки в виде совокупности алмазных иглоподобных кристаллитов. Одним из способов активации является возбуждение электрического разряда в газообразной среде, которое возможно при использовании электропроводящих подложек — этот метод был разработан и исследован ранее.

В ходе дальнейшей работы ученые из МГУ имени М. В. Ломоносова (Москва), Физического института имени П. Н. Лебедева РАН (Москва) и Красноярского научного центра СО РАН (Красноярск) совместно с финскими коллегами предложили проводить осаждение не при помощи электрического разряда, а используя нагретую до высокой температуры (2300 °С) вольфрамовую нить — почти как в обычной лампе накаливания. Такие высокие температуры также способны химически активировать молекулы метана и запускать необходимые для формирования алмаза реакции. В ходе проведенного исследования подложки располагали на разном расстоянии от нагретой нити и проводили анализ получаемых алмазных покрытий.

Исследователям удалось подобрать такие условия, чтобы получались длинные и тонкие (до нескольких тысячных долей миллиметра) алмазные иглы, причем скорость их роста достигала 500 нанометров в час (500 нанометров — это размеры, сопоставимые с размерами очень маленькой бактерии). Процесс проходил вдвое медленнее, чем при активации электрическим током, но при этом обеспечивал более точное управление осаждением и возможность внедрения в состав иглы других атомов для контролируемого изменения квантово-оптических свойств алмаза. Предложенный подход также позволил снять ограничение на площадь подложки, которую можно равномерно покрыть кристаллами: во вновь разработанном методе она зависит только от размеров камеры, где происходит осаждение, и, соответственно, от длины вольфрамовых нитей.

«Наша технология позволяет массово изготовливать качественные монокристаллические алмазные иглы. Они обладают характеристиками, представляющими интерес для различных существующих и принципиально новых областей применения. Разработанная в рамках проекта РНФ технология способствует внедрению этого уникального материала в практическое использование, расширению сферы технических применений алмаза», — подводит итог руководитель гранта РНФ Ринат Исмагилов, кандидат физико-математических наук, научный сотрудник физического факультета МГУ имени М. В. Ломоносова.

Рисунок. Изображение алмазных наноигл. Получено методом сканирующей электронной микроскопии. Источник: Ismagilov et al. / Materials, 2021