I diamanti sono bellissime pietre preziose che, grazie alla loro brillantezza e trasparenza, stanno benissimo in gioielleria, ma i diamanti grezzi sono molto più interessanti dal punto di vista scientifico. Le proprietà fisiche e chimiche del diamante lo hanno reso un componente fondamentale per molti dispositivi ottici ed elettronici.
Una delle aree di ricerca promettenti verso le applicazioni tecnologiche dei diamanti è la metallizzazione della superficie del diamante, che viene utilizzata per conferire alla superficie del diamante nuove caratteristiche come conduttività termica superiore, buona stabilità termica, migliore bagnabilità e le sue proprietà fisiche e chimiche originali.
Un gruppo di scienziati di Skoltech, dell'Istituto fisico Lebedev dell'Accademia russa delle scienze e di altre importanti organizzazioni scientifiche hanno trovato un modo per migliorare l'adesione del diamante, il legame tra diamante e metallo di transizione, utilizzando il niobio. Lo studio è stato pubblicato sul Journal of Alloys and Compounds .
"Il diamante ha due limitazioni legate alla sintesi di un substrato di diamante di grandi dimensioni e alla scarsa adesione dei contatti metallici alla superficie del diamante. Ad esempio, quando abbiamo lavorato su rilevatori di radiazioni ionizzanti e abbiamo applicato contatti in oro e altri materiali, l'adesione di tali contatti con il diamante erano molto scarsi. A quel punto, ci siamo chiesti come avremmo potuto superare un'adesione così scarsa", ha spiegato Stanislav Evlashin, coautore dello studio e assistente professore presso il Centro dei materiali di Skoltech.
Uno dei modi più efficaci per metallizzare i diamanti è sinterizzarli con metalli come titanio, cromo, tantalio, zirconio e altri. Quando interagiscono con il carbonio, si forma uno strato di carburo metallico. Gli autori dello studio hanno scelto il niobio per la sua capacità di formare pellicole chimicamente stabili di carburi di niobio sulla superficie del diamante.
"Abbiamo tentato di creare un superconduttore sulla superficie del diamante e ci siamo resi conto che se depositiamo niobio su di esso e poi lo ricottiamo, durante la ricottura si verificano le seguenti trasformazioni di fase:la pellicola di niobio dopo il riscaldamento si trasforma nel composto Nb₂C, e dopo ulteriore riscaldamento oltre 1200 gradi – in NbC", continua Stanislav Evlashin.
"Calcoli teorici del reticolo costante del carburo di niobio in base alla concentrazione dei difetti di carbonio - spesso nell'esperimento c'è una carenza di carbonio - hanno dimostrato che il metodo utilizzato di sintesi del carburo di niobio su diamante consente di ottenere carburo di niobio di alta qualità con un parametro reticolare vicino al materiale privo di difetti", ha affermato Alexander Kvashnin, coautore dello studio e professore presso l'Energy Transition Center.
"I calcoli delle caratteristiche superconduttrici del carburo di niobio hanno mostrato una transizione superconduttiva ad una temperatura di 19,4 K, che si è rivelata vicina al valore misurato sperimentalmente. I risultati indicano anche l'alta qualità della pellicola ottenuta sperimentalmente."
"In particolare, la bassa concentrazione di difetti nella pellicola di carburo di niobio ottenuta porta a valori sufficientemente elevati di diffusione di elettroni, rispetto ad altre leghe a base di niobio. E questo, insieme alle caratteristiche superconduttrici osservate, è di interesse pratico per i dispositivi di rilevamento quantistico, " ha aggiunto Anna Kolbatova, coautrice dello studio e ricercatrice presso l'Università statale pedagogica di Mosca.
I ricercatori hanno dimostrato che lo strato di carburo di niobio ottenuto ha caratteristiche superconduttive. Se questa pellicola viene applicata sulla superficie del diamante, sarà possibile creare rilevatori supersensibili grazie alla sua elevata conduttività termica. L'elevata conduttività termica del diamante aiuterà a rilevare i segnali:ciò avverrebbe molto più velocemente rispetto ad altri materiali.
Lo studio ha coinvolto due progetti. Il primo progetto, "Investigazione sull'effetto degli elementi di lega sulle caratteristiche elettrochimiche dei materiali di carbonio nanostrutturati per la creazione di promettenti sorgenti di corrente", mira a ottenere risultati che possano essere utilizzati per creare sorgenti elettrochimiche di nuova generazione. Il secondo progetto, "Una nuova generazione di rilevatori quantistici e sorgenti di singoli fotoni basati su strutture bidimensionali di Van der Waals", mira a sviluppare dispositivi per il rilevamento quantistico, che dovrebbero superare quelli tradizionali.
Tra coloro che hanno contribuito allo studio ci sono Julia Bondareva, Fedor Fedorov, Alexander Egorov e Nikita Matsokin.
Ulteriori informazioni: RA. Khmelnitsky et al, Sintesi e caratterizzazione di film sottili di carburo di niobio sulla superficie del diamante per applicazioni superconduttive, Journal of Alloys and Compounds (2023). DOI:10.1016/j.jallcom.2023.173266.
Fornito da Skolkovo Institute of Science and Technology
