Алмаз карбонадо — ценнейший полупроводник будущего!

Новый взгляд на физические законы и явления
Алма́з (несокрушимый)- самый твёрдый, наиболее коррозиеустойчивый и теплопроводный минерал, непревзойденный драгоценный камень. Но, обратимся к Алмазу как … к ценнейшему полупроводнику будущего!

«Проще всех алмаз устроен — это чистый углерод,
Но плотнее всех в кристалле в кубик атомы вожмет.
Плотность атомов кристаллу чудо свойства придает
АДАМАС и тверд предельно и сильней любых кислот» 

Парасолов Ю.А.

Алма́з (от др.-греч. ἀδάμας — «несокрушимый»). Самый твёрдый и коррозиеустойчивый, наиболее теплопроводный минерал, но не об этом пойдёт речь, и даже не о его замечательных ювелирных свойствах. Обратимся к Алмазу как … к ценнейшему полупроводнику будущего, рассмотрим возможности его получения из чугунной батареи, поймём, что этому ценному минералу ни как не миллионы лет! И как догадываются мои постоянные читатели, такой уникальный драгоценный камень не мог образоваться без водорода!

Кристаллическая структура алмаза
Кристаллическая структура алмаза

Супералмазы — полупроводники

Алмаз — минерал, кубическая аллотропная форма углерода. При нормальных условиях метастабилен, то есть может существовать неограниченно долго. В вакууме или в инертном газе при повышенных температурах (2000 °C) постепенно переходит в графит, воздухе алмаз сгорает при 850—1000 °C. Самый твёрдый несжимаемый минерал, наиболее высокая теплопроводность 900—2300 Вт/(м·К), большой показатель преломления и дисперсия. Благодаря возникающей тонкой газовой пленке, у алмаза очень низкий коэффициент трения по металлу на воздухе. Пропускает широкий диапазон электромагнитных волн, под действием рентгеновского и катодного излучения начинает светиться. Рентгенолюминесценция широко применяется на практике для извлечения алмазов из породы. Высокая прозрачность и большой показатель преломления заставляют лучи света многократно отражаться внутри кристалла, создавая неповторимую «игру света», что делает алмаз ценнейшим драгоценным камнем.

 Схематическое изображение кристаллической решетки алмаза
Схематическое изображение кристаллической решетки алмаза

Каждый атом углерода в структуре алмаза расположен в центре тетраэдра, вершинами которого служат четыре ближайших соседа, это объясняет высочайшую твёрдость алмаза. 

Благодаря четырёхвалентной структуре алмазы могут применяться в качестве заменителей кристаллов германия и кремния в полупроводниках. Если германиевый транзистор может быть использован при температурах до 75° С, кремниевый – до 125 °С, то алмазные транзисторы мо­гут применяться при температурах до 500 °С! Голубые алмазы незаменимы для измерения малейших изменений температуры с чувствительностью 0,002°С, а на ряду с высокой кислотоупорностью и термостойкостью, конкурентов в этой области у них нет!

Происхождение алмазов

Алмазы кристаллизуется в мантии на глубине 200 км. и более, при давлении 4 ГПа и температуре 1000 — 1300° С и выносятся на поверхность в результате взрывных процессов, сопровождающих формирование кимберлитовых трубок.

В метеоритах в значительных количествах обнаружены мелкие алмазы. Они имеют очень древнее, досолнечное происхождение. Также они образуются в гигантских метеоритных кратерах, где переплавленные породы содержат значительные количества мелкокристаллического алмаза. Известным месторождением такого типа является Попигайская астроблема на севере Сибири.

Синтез  алмазов в слоях Земли.
Синтез алмазов в недрах Земли в восходящих потоках водородной дегазации.

Процесс образования алмазов с точки зрения теории гидридной Земли

Водород, выделившийся из гидрида металлов ядра, через плюмы достигает верхней мантии, где вступает в реакцию с соединениями железа с углеродом, вытесняя последний в чистом виде. Если при этом внешние условия (давление и температура) соответствуют, то углерод превращается в алмаз.

Наглядный эксперимент по выращиванию алмазов в водородной среде поставил наш соотечественник В.Н. Ларин ещё в восьмидесятые годы! Обычно искусственные алмазы производят из графита при температуре 2000 — 3000 °C и давлении 100 — 200 тыс. атмосфер. Это очень дорого. Владимир Николаевич разработал режим «температура-давление». Поместил кусок чугунной батареи в водородную атмосферу под пресс, где при температуре 650 °C водород вытеснил из чугуна свободный углерод, который при давлении 18 тыс. атмосфер превратился в алмазы

Результаты были отражены в статье «Алмазы из батареи» В.Н. Ларин [Огонёк N22 (4649) от 02.07.2000]

В описанном процессе образования алмазов нет принципиальных расхождений с общепринятой научной теорией. За исключением происхождения самого водорода, который в классическом понимании считается продуктом распада органических соединений. Большинство геологов связывают образование алмазов в мантии за счет, например, распада углеводородов: CH4 → C + 2Н2, но мы — то понимаем, что зоны субдукции, через которые органика могла бы гипотетически попасть в мантию, находятся только в «тихоокеанском огненном кольце», а месторождения алмазов имеют совсем другую географию!

Геолого-геохимические данные позволили академику РАЕН профессору Александру Портнову предложить гипотезу о происхождении алмазоносных кимберлитовых трубок при «прокалывании» платформ гигантскими водородно-метановыми «пузырями», связанными с дегазацией Земли. При этом кристаллы алмаза возникают не в мантии, а в трубках, при понижении мантийного давления и частичном окислении метана. В отличие от низкокачественных алмазов, получаемых для технических целей из расплава металлов, алмазы из метана отличаются чистотой и прозрачностью. Нет сомнения, что компания «Де Бирс» не жалела денег для скупки интересных проектов по газовому синтезу, с тем чтобы навсегда запрятать их в своих сейфах.

Земным алмазам не миллионы лет! 

Современная наука датирует алмазы миллионами (некоторые и миллиардами) лет. Но во многих из них присутствуют изотопы углерода 14, причем внутри кристалла! 

Как известно, радиоизотоп углерода 14C подвержен β−распаду с периодом полураспада T1/2 = 5730 ± 40 лет, постоянная распада λ = 1,209·10−4 год−1

Как известно, радиоизотоп углерода 14C подвержен β−распаду с периодом полураспада T1/2 = 5730 ± 40 лет, постоянная распада λ = 1,209·10−4 год−1 

Так как в атмосфере находится 0,0000765% углерода-14, учёные предполагают, что в растениях и животных во время их жизни находится такое же количество. После смерти растения и животного углерод начинает распадаться. В теории метода говорится, что если вы нашли ископаемое, в котором содержится только половина нужного количества углерода 14, это значит, что оно умерло 5730 лет назад, потому что половина С14 распалось.

Методом радиоуглеродного анализа нельзя датировать события старше десяти периодов полураспада, получается около 57,5 тысяч лет (об этом писали и его авторы). Следовательно, если мы имеем любые внутренние (без внешних примесей!) включения, содержащие 14C, будь то алмазы, граниты, уголь или окаменевшую древесину, можем сразу констатировать, что эти минералы младше 60 тыс. лет (иначе весь углерод 14 распался бы полностью)!

Природные черные алмазы

Черный алмаз
Черный алмаз

Эти очень редкие камни монокристаллы действительно обладают натуральным черным цветом благодаря включениям графита. Однако встречаются и кристаллы с темным густым серым, коричневым или зеленым цветом, который в отраженном свете будет смотреться как черный. Они непрозрачны или полупрозрачны, в основном с различными включениями, которые осложняют их обработку. Но если алмаз обладает ровным цветом и минимальными внутренними дефектами, то из него можно получить черный бриллиант отличного качества.

Чёрные алмазы карбонадо

Карбонадо представляет собой поликристаллическое образование, сформированное множеством плотно спаянных мельчайших алмазов в кремнистой основе. Спайка кристаллов неоднородна, поэтому карбонадо имеет пористую структуру. В его состав входит графит и соединения железа – гематит и магнетит, обуславливающие темный цвет. Большое количество включений делает карбонадо непрозрачным. Взаимное расположение кристалликов алмазов не отражает свет, а как бы поглощает его, лишая образование знаменитого алмазного блеска или «игры». Особенности поликристаллической структуры обуславливают чрезвычайную крепость карбонадо, в отличие от обычных алмазов, которые достаточно хрупкие. В то же время, минерал сохраняет свою супер твёрдость.

Алмаз карбонадо
Алмаз карбонадо

Группа американских ученых из Национальной лаборатории в Брукхэвене во главе со Стивеном Хаггерти (Stephen Haggerty) и Марком Ченсом (Mark Chance) считает, что образовались карбонадо при взрыве сверхновой звезды в вакууме. Исследователи обнаружили в образцах черных алмазов некоторые редкие соединения титана, азота и водорода, которые до сих пор встречались только в составе метеоритов. Только представьте: алмазный дождь над Бразилией и Центрально африканской республикой, где сейчас и находят чёрные алмазы.

Вообразим: взрыв сверхновой, колоссальное давление и … температура! Ой, нестыковка, алмаз ведь плавится всего при 4000 градусах Цельсия. Значит, зона образования карбонадо находилась на периферии взрыва звезды, но тогда как быть с давлением в вакууме? 

Не проще ли предположить земное происхождение карбонадо? да это не так красочно, увы, без взрыва сверхновой и алмазно-метеоритного дождя! В обычном земном вулкане, где всегда присутствуют потоки метана и водорода, исходящие из недр планеты, образуются группы мелких алмазов, которые в процессе кристаллизации срастаются между собой в друзу. Титан, азот и водород в вулканических породах не редкость!

В 1993 году карбонадо обнаружен в авачитах, на восточном склоне вулкана Авачинского на Камчатке. Считаю такие находки не случайными в земных условиях, в свете «Теории гидридной Земли В.Н.Ларина».

Предприимчивые американцы, проанализировав карбонадо, тут же оценили перспективы применения супералмазов в электронной промышленности в качестве замены кремния.

Алмаз карбонадо - ценнейший полупроводник будущего!

Американская компания Apollo Diamond, Inc. разработала и запатентовала технологию получения супералмазов ювелирного качества со структурой кристалла без изъянов, используя метод химического осаждения из газовой водородосодержащей фазы (CVD). Маленькое алмазное зерно помещают в вакуумную камеру при давлении ниже атмосферного, камеру нагревают, затем в неё закачивают метан, а потом, ну как же без него, водород. После этого создаются микроволны, заставляющие высвобождаться облако атомов углерода, которые оседают на зерне. Таким способом можно вырастить не только привычные кристаллы, но и алмазную пластину толщиной менее миллиметра! Такие пластины проводят электричество, обладают уникальной теплопроводностью и выдерживают высокую температуру. Из них получаются идеальные микросхемы с высокой степенью интеграции и устойчивые к перегреву!

Но чтобы сделать микросхему, нужны полупроводники p- и n-типа, а алмаз — естественный изолятор. Для обеспечения проводимости ученые ввели в кристаллическую решетку алмаза бор, который создает нужный тип проводимости p-типа. До некоторого времени никому не удавалось создать в алмазе проводимость n-типа, но в июне 2003 года прорыв был совершен. Ученые нашли способ инвертировать природную проводимость бора и создавать легированные бором алмазы n-типа. Таким образом, необходимая для производства микросхем p-n-пара получена.

Область применения таких карбонадовых материалов широчайшая: от не изнашиваемых искусственных суставов до нанорезонаторов (основа всей акустической аппаратуры) и супермикросхем. Уверен, что будущее поколение компьютеров будет иметь в своём сердце процессор на алмазной, а не на силиконовой основе, изготовленный по водородной технологии!

Приоритет получения алмазов из газовой фазы и плазмы принадлежит коллективу научных сотрудников Института физической химии АН СССР (Дерягин Б. В., Федосеев Д. В., Спицын Б. В.). Они использовали газовую среду, состоящую из 95% водорода и 5% углеродсодержащего газа (пропана, ацетилена), а также высокочастотную плазму, сконцентрированную на подложке, где образуется сам алмаз (CVD-процесс). Температура газа от +700…850 °C при давлении в тридцать раз меньше атмосферного.

Алмазные полупроводники способны работать в условиях пятикратного превышения рабочих температур кремниевых устройств без ухудшения производительности. Они обладают большей величиной пробивного напряжения и более высокой теплопроводностью. Полупроводниковые приборы на основе алмаза, значительно превосходят подобные кремниевые образцы.

Синтез углеродных нанотрубок с водородом эфективнее!

Основной технологией производства пленочных и большинства форм углеродных нанотрубок является химическое осаждение из газовой фазы (CVD), в одном из эффективнейших способов производства тонких пленок используют аэрозольный CVD, который позволяет получать нанотрубку в один этап. В высокотемпературный реактор подается поток газообразного углеродного сырья — углеводородов, монооксида углерода, этанола и др., а также предшественника катализатора наночастиц железа — ферроцена, который под воздействием высокой температуры распадается на каталитические наночастицы, и происходит разложение источника углерода. Углерод осаждается на поверхности частиц, образуется полусферическая фуллереновая «шапочка», и начинают формироваться нанотрубки. На выходе реактора нанотрубки одновременно фильтруются, образуя на поверхности фильтра 2D-сетку — тонкую пленку ОУНТ.

Синтез углеродных нанотрубок / © Getty images


Ученым Сколтеха удалось улучшить самую широко используемую технологию производства одностенных углеродных нанотрубок (ОУНТ). Исследователи ввели в реактор газообразный водород и монооксид углерода, что позволило увеличить количество получаемых на выходе нанотрубок почти втрое по сравнению с другими стимуляторами роста, причем без потери качества.

«В качестве возможного стимулятора роста мы рассмотрели водород. В предыдущих работах было установлено, что ввод водорода в среду монооксида углерода может запустить дополнительную реакцию, в результате которой параллельно с реакцией Будуара диспропорционирование монооксида углерода в углекислый газ: CO + CO → C + CO2 — гидрогенизация CO: CO + H2 → C + Н2О образуется углерод. Мы пришли к выводу, что такое решение может сработать и в нашем случае» — говорит выпускник аспирантуры Сколтеха Илья Новиков, недавно с успехом защитивший диссертацию по тематике синтеза нанотрубок.

Схематическое описание влияния водорода на процесс CVD-синтеза нанотрубок на основе монооксида углерода / © Илья Новиков и другие / Chemical Engineering Journal

Тщательно исследовав влияние водорода на эффективность синтеза ОУНТ, а также изучив свойства полученных на выходе нанотрубок, авторы обнаружили, что при концентрации водорода 10 объемных процентов производительность синтеза выросла в 15 раз без какого-либо ухудшения структурных характеристик и свойств нанотрубок как прозрачного проводника.

«Неожиданно для себя мы обнаружили два разных феномена: на низкотемпературном режиме водород обеспечивает значительное повышение каталитической активности (активности участвующих в катализе частиц железа), тем самым значительно повышая количество трубок на выходе, а на высокотемпературном режиме он ускоряет рост нанотрубок, что приводит к получению более длинных нанотрубок с более высокой проводимостью пленки».



Очень бы хотелось, чтоб в наступающей алмазной полупроводниковой и водородной эре, в основе которой лежат открытия наших институтов и соотечественников 60-90 годов XX века, мы не отстали бы от США с внедрением в жизнь этих разработок, которые сулят колоссальные дивиденды!

Выпускник Научновской СШ Крымской обсерватории. Окончил МИСиС кафедру Инженерной кибернетики. Бизнесмен сохранивший интерес к науке. Сторонник теории гидридного ядра Земли. Автор нескольких десятков статей, в которых опираюсь на законы физики и стараюсь подкреплять свои выводы математическими расчетами.

Оцените автора
( Пока оценок нет )
Игорь Дабахов
Добавить комментарий