Аморфный углерод - Amorphous carbon

Аморфный углерод свободный, реактивный углерод, не содержащий кристаллический структура. Аморфные углеродные материалы можно стабилизировать путем прекращения свисающие π-связи с водород. Как и в случае с другими аморфные твердые тела, может наблюдаться некоторый ближний порядок. Аморфный углерод часто сокращенно называют AC для общего аморфного углерода, переменный ток: H или же HAC для гидрированного аморфного углерода, или для та-С за тетраэдрический аморфный углерод (также называемый алмазоподобный углерод ).[1]

В минералогии

В минералогия, аморфный углерод - это название, используемое для каменный уголь, сажа, углерод на основе карбида и другие нечистые формы углерода, которые не являются ни графитом, ни алмазом. В кристаллографический в смысле, однако, материалы не являются действительно аморфными, а скорее поликристаллический материалы графит или же алмаз[2] в аморфном углероде матрица. Коммерческий углерод также обычно содержит значительные количества других элементов, которые также могут образовывать кристаллические примеси.

В современной науке

С развитием современных методов осаждения и выращивания тонких пленок во второй половине 20-го века, таких как химическое осаждение из паровой фазы, напыление, и катодно-дуговое напыление, стало возможно изготавливать действительно аморфные углеродные материалы.

Истинный аморфный углерод имеет локализованные π-электроны (в отличие от ароматный π связи в графите), а его связи образуются с длинами и расстояниями, несовместимыми с любыми другими аллотроп углерода. Он также содержит высокую концентрацию оборванных связей; они вызывают отклонения в межатомном расстоянии (измеренном с помощью дифракция ) более 5%, а также заметное изменение валентного угла.[2]

Свойства пленок из аморфного углерода меняются в зависимости от параметров, используемых во время осаждения. Первичный метод характеристики аморфного углерода - это соотношение зр2 к зр3 гибридизированные облигации присутствует в материале. Графит состоит исключительно из зр2 гибридизированные связи, тогда как алмаз состоит исключительно из зр3 гибридизированные связи. Материалы с высоким содержанием зр3 гибридизированные связи называются тетраэдрическим аморфным углеродом из-за тетраэдрической формы, образованной зр3 гибридизированные связи или алмазоподобный углерод (из-за схожести многих физических свойств с алмазом).

Экспериментально, зр2 к sp3 отношения могут быть определены путем сравнения относительных интенсивностей различных спектроскопических пиков (включая УГРЕЙ, XPS, и Рамановская спектроскопия ) к ожидаемым для графита или алмаза. В теоретических работах зр2 к зр3 соотношения часто получают путем подсчета количества атомов углерода с тремя связанными соседями по сравнению с атомами с четырьмя связанными соседями. (Этот метод требует принятия решения о несколько произвольной метрике для определения того, считаются ли соседние атомы связанными или нет, и поэтому используется просто как указатель относительной sp2-sp3 соотношение.)

Хотя характеристика аморфных углеродных материалов с помощью sp2-sp3 может показаться, что это соотношение указывает на одномерный диапазон свойств между графитом и алмазом, но это определенно не так. В настоящее время продолжаются исследования способов описания и расширения диапазона свойств, предлагаемых аморфными углеродными материалами.

Все практические формы гидрогенизированный углерод (например, дым, дымовая сажа, добытый уголь, такой как битум и антрацит) содержат большое количество полициклический ароматический углеводород смолы, и поэтому почти наверняка канцерогены.

Q-углерод

Q-углерод, сокращение от закаленного углерода, представляет собой тип аморфного углерода, который, как сообщают его первооткрыватели, ферромагнитный, электропроводящий, тяжелее чем алмаз,[3] и может выставлять высокотемпературная сверхпроводимость.[4][5][6][7] Первооткрыватели опубликовали научные статьи по синтезу и характеристике Q-углерода, но по состоянию на 2019 год еще не было никакого независимого экспериментального синтеза или подтверждения этих заявленных свойств.

По словам исследователей, Q-углерод демонстрирует случайную аморфную структуру, которая представляет собой смесь 3-сторонних (sp2) и 4-ходовой (sp3) связь, а не равномерный sp3 связь найдена в алмазах.[8][9] Углерод плавится с помощью наносекундных лазерных импульсов, затем закаленный быстро с образованием Q-углерода или смеси Q-углерода и алмаза. Q-углерод может иметь несколько форм: наноиглы к алмазным пленкам большой площади. Исследователи также сообщают о создании азотная вакансия наноалмазы.[10]

Открытие

В 2015 году исследовательская группа под руководством Джагдиш Нараян, профессор материаловедение и инженерия в Университет штата Северная Каролина, а аспирант Анаг Бхаумик объявила об открытии Q-углерода.[4][6][11][12][13][14][15] Они также объявили об открытии Q-нитрид бора (Q-BN) и превращение углерода в алмаз и h-BN в c-BN[16] при температуре окружающей среды и давлении воздуха.[17]

Процесс начался[нечеткий ] с работами Нараяна по лазеру отжиг, опубликовано в Наука,[18][19] и завершился в 2015–16 годах очередной серией статей.[20][21][22][23][24][25][требуется полная цитата ] и три заявки на патент США: 62/245 108 (2015); 62/202, 202 (2015); и 62 / 331.217 (2016). Они были лицензированы Q-Carbon Inc.[26] для коммерциализации продуктов на основе Q-углерода,[27][28][29] алмаз[30] Q-BN и c-BN.[31][32][33][34]

Производство

Обычно алмаз образуется при нагревании углерода при очень высоких температурах (> 5000 K ) и давления (> 120,000 атмосферы ). Однако Нараян и его группа использовали кинетику и управление временем импульсного наносекундного лазерного плавления, чтобы преодолеть термодинамические ограничения и создать переохлажденный состояние, которое позволяет преобразовывать углерод в Q-углерод и алмаз при температуре и давлении окружающей среды. В этом процессе используется мощный лазерный импульс, аналогичный тому, что используется в хирургии глаза, длительностью около 200 наносекунд. Это повышает температуру углерода примерно до 4000 К (3700 ° C; 6700 ° F) при атмосферное давление. Полученную жидкость затем гасят (быстро охлаждают); именно эта стадия является источником буквы «Q» в названии материала. Степень переохлаждения ниже температуры плавления определяет новую фазу углерода, будь то Q-углерод или алмаз. Более высокие скорости охлаждения приводят к образованию Q-углерода, тогда как алмаз имеет тенденцию образовываться, когда свободная энергия углеродной жидкости равна свободной энергии алмаза.

Используя эту технику, алмаз можно легировать как n-, так и p-типом. присадки, что критично для мощных твердотельная электроника. Во время быстрого кристалл При росте от плавления концентрации примеси могут намного превышать термодинамический предел растворимости из-за явления захвата растворенного вещества. Это необходимо для достижения достаточно высоких концентраций свободных носителей, поскольку эти легирующие примеси имеют тенденцию быть глубокими. доноры с высоким энергии ионизации.

Исследователям понадобилось всего 15 минут, чтобы сделать один карат Q-углерода. Первоначальные исследования создали Q-углерод из тонкой пластины сапфир покрытый аморфным (некристаллическим) углеродом. Дальнейшие исследования показали, что другие субстраты, например, стекло или полимер, тоже работаю. Впоследствии эта работа была расширена для преобразования h-BN в фазово-чистый c-BN.[35]

Характеристики

Q-углерод некристаллический, и хотя он имеет смешанное sp2 и зр3 связь, это в основном sp3, что предлагается в качестве объяснения его твердости[36] и его электрические, оптические и магнитные свойства. Q-углерод тверже алмаза на 48–70%, потому что углерод в расплавленном состоянии является металлическим и плотно упаковывается с длина облигации меньше, чем в алмазе. В отличие от всех других известных форм углерода, Q-углерод ферромагнитный, с намагниченность насыщения из 20 эму / г и оценочная Температура Кюри примерно 500 К.[37][38]

В зависимости от скорости тушения из переохлажденного состояния Q-углерод может быть полупроводник или металлический. Он светится больше, чем алмаз, при воздействии даже низких уровней энергетического излучения из-за его более сильного отрицательного электронное сродство.[39]

Экспонаты Q-углерода, легированного бором БКС сверхпроводимость до 57К.[40][41][42][43][29]

Некоторые группы предоставили теоретические объяснения заявленных свойств Q-углерода, включая рекордную высокотемпературную сверхпроводимость, ферромагнетизм и твердость.[44][45]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Робертсон, Дж. (1986). «Аморфный углерод». Успехи в физике. 35 (4): 317–374. Bibcode:1986AdPhy..35..317R. Дои:10.1080/00018738600101911.
  2. ^ а б ИЮПАК, Сборник химической терминологии 2-е изд. («Золотая книга») (1997). Исправленная онлайн-версия: (2006–) "алмазоподобные углеродные пленки ". Дои:10.1351 / goldbook.D01673
  3. ^ Нараян, Джагдиш; Гупта, Сиддхартх; Бхаумик, Анах; Сахан, Ритеш; Челлини, Филиппо; Риедо, Элиза (2018). «Q-углерод тверже алмаза». MRS Communications. 8 (2): 428–436. Дои:10.1557 / mrc.2018.35. ISSN  2159-6859.
  4. ^ а б Нараян, Джагдиш; Бхаумик, Ана (2015-12-07). «Новая фаза углерода, ферромагнетизм и превращение в алмаз». Журнал прикладной физики. 118 (21): 215303. Bibcode:2015JAP ... 118u5303N. Дои:10.1063/1.4936595. ISSN  0021-8979.
  5. ^ Ростон, Бретань (30 ноября 2015 г.). «Исследователи создают алмаз при комнатной температуре». Получено 22 сен, 2019.
  6. ^ а б Бромвич, Иона (03.12.2015). «Новое вещество тверже алмаза, - говорят ученые». Нью-Йорк Таймс. ISSN  0362-4331. Получено 22 сен, 2019.
  7. ^ Бен Брамфилд. «Q-карбон тверже, ярче бриллиантов». CNN. Получено 22 сен, 2019.
  8. ^ «Q-карбон тверже алмаза, его невероятно просто сделать | ExtremeTech». ExtremeTech. Получено 22 сен, 2019.
  9. ^ «Исследователи открывают новую фазу углерода, делают алмаз при комнатной температуре». news.ncsu.edu. Получено 22 сен, 2019.
  10. ^ Нараян, Джагдиш; Бхаумик, Ана (2016-11-02). «Новый синтез и свойства чистых и легированных NV наноалмазов и других наноструктур». Письма об исследованиях материалов. 5 (4): 242–250. Дои:10.1080/21663831.2016.1249805. ISSN  2166-3831.
  11. ^ Кроуэлл, Мэдди (2015-12-03). «Замена алмазов? Ученые открывают Q-углерод». Christian Science Monitor. ISSN  0882-7729. Получено 22 сен, 2019.
  12. ^ Вей-Хаас, Майя. «Странный новый тип углерода тверже (и ярче), чем алмаз». Получено 22 сен, 2019.
  13. ^ Мак, Эрик. «Ученые создают новый вид алмаза при комнатной температуре». Получено 22 сен, 2019.
  14. ^ «Q-углерод: новая фаза углерода, настолько твердая, что при плавлении образует алмазы». newatlas.com. Получено 22 сен, 2019.
  15. ^ «Исследователи находят новую фазу углерода, делают алмаз при комнатной температуре». Получено 22 сен, 2019.
  16. ^ Нараян, Джагдиш; Бхаумик, Анаг (февраль 2016 г.). «Обновление исследования: прямое преобразование h-BN в чистый c-BN при температуре окружающей среды и давлении воздуха». Материалы APL. 4 (2): 020701. Дои:10.1063/1.4941095. ISSN  2166-532X.
  17. ^ Нараян, Джагдиш; Бхаумик, Анах; Гупта, Сиддхартх; Хак, Арифул; Сахан, Ритеш (2018-04-06). «Прогресс в области Q-углерода и родственных материалов с исключительными свойствами». Письма об исследованиях материалов. 6 (7): 353–364. Дои:10.1080/21663831.2018.1458753. ISSN  2166-3831.
  18. ^ White, C.W .; Narayan, J .; Янг, Р. Т. (1979). «Лазерный отжиг полупроводников с ионной имплантацией». Наука. 204: 461. Дои:10.1126 / наука.204.4392.461.
  19. ^ Narayan, J .; Годболе, В. П .; Уайт, К. В. (1991). «Лазерный метод синтеза и обработки сплошных алмазных пленок на неалмазных подложках». Наука. 252: 416. Дои:10.1126 / science.252.5004.416.
  20. ^ Нараян, Джагдиш (2015). «Новости исследования: прямое преобразование аморфного углерода в алмаз при атмосферном давлении и температуре воздуха». Материалы APL. 3: 100702. Дои:10.1063/1.4932622.
  21. ^ Нараян, Джагдиш; Бхаумик, Анах (2016). «Новости исследования: прямое преобразование h-BN в чистый c-BN при температуре окружающей среды и давлении воздуха». Материалы APL. 4: 020701. Дои:10.1063/1.4941095.
  22. ^ Нараян, Джагдиш (2015). «Новая фаза углерода, ферромагнетизм и превращение в алмаз». J. Appl. Phys. 118: 215303. Bibcode:2015JAP ... 118u5303N. Дои:10.1063/1.4936595.
  23. ^ Автор (2016). «Прямое преобразование h-BN в c-BN и формирование эпитаксиальных гетероструктур c-BN / алмаз». J. Appl. Phys. 119: 185302. Дои:10.1063/1.4948688.
  24. ^ Материалы Res. Буквы. 2016. Дои:10.1080/21663931.2015.1126865. Отсутствует или пусто | название = (помощь)
  25. ^ Современные материалы и процессы. 174: 24. 2016. Отсутствует или пусто | название = (помощь)
  26. ^ Q Carbon Inc
  27. ^ Нараян, Джагдиш; Бхаумик, Анаг (2016-02-03). «Открытие Q-углерода и формирование монокристаллических алмазных нано- и микроигл и тонких пленок». Письма об исследованиях материалов. 4 (2): 118–126. Дои:10.1080/21663831.2015.1126865. ISSN  2166-3831.
  28. ^ Гупта, Сиддхартх; Бхаумик, Анах; Сахан, Ритеш; Нараян, Джагдиш (2018-01-03). «Структурная эволюция Q-углерода и наноалмазов». JOM. 70 (4): 450–455. Дои:10.1007 / s11837-017-2714-у. ISSN  1047-4838.
  29. ^ а б Гупта, Сиддхартх; Сахан, Ритеш; Бхаумик, Анах; Пант, Пунам; Нараян, Джагдиш (июнь 2018 г.). «Переохлаждение вызвало рост Q-углерода, алмаза и графита». MRS Communications. 8 (2): 533–540. Дои:10.1557 / mrc.2018.76. ISSN  2159-6859.
  30. ^ Бхаумик, Анах; Нараян, Джагдиш (2018-01-03). «Синтез и характеристика закаленных и кристаллических фаз: Q-углерод, Q-BN, алмаз и фазово-чистый c-BN». JOM. 70 (4): 456–463. Дои:10.1007 / s11837-017-2712-0. ISSN  1047-4838.
  31. ^ Нараян, Джагдиш; Бхаумик, Анах (2016). «Открытие Q-BN и прямое превращение h-BN в c-BN и формирование эпитаксиальных гетероструктур c-BN / алмаз». MRS Advances. 1 (37): 2573–2584. Дои:10.1557 / adv.2016.472. ISSN  2059-8521.
  32. ^ Нараян, Джагдиш; Бхаумик, Анаг (2016). «Открытие Q-BN и прямое превращение h-BN в c-BN и формирование эпитаксиальных c-BN / алмазных гетероструктур». MRS Advances. 1 (37): 2573–2584. Дои:10.1557 / adv.2016.472. ISSN  2059-8521.
  33. ^ Нараян, Джагдиш; Бхаумик, Анах; Сюй, Вэйцзун (2016-05-14). «Прямое преобразование h-BN в c-BN и формирование эпитаксиальных гетероструктур c-BN / алмаз». Журнал прикладной физики. 119 (18): 185302. Дои:10.1063/1.4948688. ISSN  0021-8979.
  34. ^ Нараян, Джагдиш; Бхаумик, Анаг (2017), «Фундаментальное открытие Q-фаз и прямое превращение углерода в алмаз и h-BN в c-BN», Механические свойства и характеристики ползучести современных материалов, Springer International Publishing, стр. 219–228, Дои:10.1007/978-3-319-51097-2_17, ISBN  9783319510965
  35. ^ Материалы APL 4, 202701 (2016)
  36. ^ Гупта, Сиддхартх; Сахан, Ритеш; Бхаумик, Анах; Нараян, Джагдиш (2018). «Повышение механических свойств нанокомпозитов Q-углерод за счет импульсного лазерного отжига наносекундной длительности». Нанотехнологии. 29 (45): 45LT02. Дои:10.1088 / 1361-6528 / aadd75. ISSN  1361-6528. PMID  30156561.
  37. ^ Бхаумик, Анах; Нори, Судхакар; Сахан, Ритеш; Гупта, Сиддхартх; Кумар, Дхананджай; Маджумдар, Алак Кумар; Нараян, Джагдиш (06.02.2018). «Ферромагнетизм при комнатной температуре и необычный эффект Холла в наноструктурированном Q-углероде: последствия для потенциальных устройств спинтроники». ACS Applied Nano Materials. 1 (2): 807–819. Дои:10.1021 / acsanm.7b00253. ISSN  2574-0970.
  38. ^ Бхаумик, Анах; Нараян, Джагдиш (28.05.2018). «Электрохромный эффект в Q-углероде». Письма по прикладной физике. 112 (22): 223104. Дои:10.1063/1.5023613. ISSN  0003-6951.
  39. ^ Хак, Арифул; Нараян, Джагдиш (июнь 2018 г.). «Автоэлектронная эмиссия из Q-углерода». Алмаз и сопутствующие материалы. 86: 71–78. Дои:10.1016 / j.diamond.2018.04.008. ISSN  0925-9635.
  40. ^ Бхаумик, Анах; Сахан, Ритеш; Нараян, Джагдиш (2017). «Новый высокотемпературный сверхпроводник на основе углерода: Q-углерод, легированный B». Журнал прикладной физики. 122 (4): 045301. Bibcode:2017JAP ... 122d5301B. Дои:10.1063/1.4994787.
  41. ^ Бхаумик, Анах; Сахан, Ритеш; Нараян, Джагдиш (05.05.2017). «Высокотемпературная сверхпроводимость в Q-углероде, легированном бором». САУ Нано. 11 (6): 5351–5357. Дои:10.1021 / acsnano.7b01294. ISSN  1936-0851. PMID  28448115.
  42. ^ Бхаумик, Анах; Сахан, Ритеш; Гупта, Сиддхартх; Нараян, Джагдиш (10.11.2017). «Открытие высокотемпературной сверхпроводимости (Tc = 55 K) в Q-углероде, легированном B». САУ Нано. 11 (12): 11915–11922. Дои:10.1021 / acsnano.7b06888. ISSN  1936-0851. PMID  29116751.
  43. ^ Бхаумик, Анах; Сахан, Ритеш; Нараян, Джагдиш (2018). «Магнитная релаксация и трехмерные критические флуктуации в Q-углероде, легированном B, - высокотемпературном сверхпроводнике». Наномасштаб. 10 (26): 12665–12673. Дои:10.1039 / c8nr03406k. ISSN  2040-3364. PMID  29946612.
  44. ^ Сакаи, Юки; Chelikowsky, James R .; Коэн, Марвин Л. (01.02.2018). «Моделирование эффекта легирования бором в сверхпроводящем углероде». Физический обзор B. 97 (5): 054501. arXiv:1709.07125. Bibcode:2018PhRvB..97e4501S. Дои:10.1103 / PhysRevB.97.054501.
  45. ^ Сакаи, Юки; Chelikowsky, James R .; Коэн, Марвин Л. (13.07.2018). «Магнетизм в аморфном углероде». Материалы физического обзора. 2 (7): 074403. arXiv:1803.11336. Дои:10.1103 / PhysRevMaterials.2.074403.