СПОСОБ СИНТЕЗА АЛМАЗОВ С ПОМОЩЬЮ МАГНИТНЫХ МОНОПОЛЕЙ Российский патент 2007 года по МПК C30B30/04 C30B29/04 C01B31/06 

Изобретение относится к области новой высокой технологии сверхбыстрого создания алмазов, не требующих ни камер высокого давления, ни специальных нагревательных элементов, ни многодневных ожиданий, как это имеет место при выращивании кристаллов алмазов другими известными методами.

В основу изобретения положено открытие, сделанное авторами в области фундаментальной физики: множественной генерации магнитных монополей при инициировании лазерно-индуцированных разрядов в вакууме и воздухе [1-2]. С помощью магнитных монополей удалось осуществить синтез алмазов с характерными размерами кристаллов от 1 мкм до 1.2 мм. Рассматриваемый ниже способ синтеза алмазов по своей сути весьма простой и основан на эмпирическом факте: под действием магнитных монополей графитовые микрочастицы превращаются в алмазы. Этот процесс может происходить прямо в воздухе, при нормальных внешних условиях (атмосферном давлении и комнатной температуре окружающего воздуха) на расстоянии нескольких сантиметров от плазменного очага образования магнитных монополей. Но может быть и в других средах и даже в вакууме.

Для их получения необходимы необычные (в физике их называют экстремальными) состояния. Приведем пример достижения таких экстремальных состояний, который описан в работах [1, 2]. На фиг.1 показана схема экспериментов по синтезу алмазов, в которых использовался импульсный Nd: YAG-лазер с активной синхронизацией мод. Излучение на длине волны 1064 нм фокусировалось линзой с фокусным расстоянием 25 см на поверхность металлических мишеней (например, мишеней из тантала или алюминия). Энергия импульса лазерного излучения составляла 90-95 mJ, длительность главного импульса (по полувысоте) 100 пс, таким образом, при фокусировке излучения на поверхности мишени в область диаметром 40 мкм достигалась начальная плотность потока мощности 10¹⁴ Вт/см² (в вакууме) и 10¹⁵ Вт/см² (в воздухе диаметр сфокусированного лазерного излучения достигает 10 мкм). Впоследствии в силу эффекта оптимальной фильтрации может происходить сжатие главного импульса и увеличение его интенсивности в диспергирующей среде - плазме, созданной серией вспомогательных импульсов (так называемых «предимпульсов»). Затем в области резонансного поглощения лазерного излучения и возникает та магнитная «наковальня», в которой и происходит генерация магнитных монополей.

Эксперименты проводилась в воздухе и в вакууме. Для регистрации магнитных зарядов использовалось их рентгеновское и гамма излучение в вакуумной камере, где поддерживался вакуум не хуже 10^-7 мбар, диэлектрические трековые детекторы CR39, другие методы, хорошо известные в ядерной физике (в том числе и показанные на фиг.1 трансмиссионные люминесцентные детекторы (ТЛД), т.к. магнитные монополи, взаимодействуя с веществом, инициируют и ядерные реакции). Как оказалось, генерируемые описанные выше способом магнитные монополи (или их совокупность в виде квазичастиц [6]) имеют очень большие магнитные заряды q≤100-200 СГСЭ [1, 2]. В настоящее время нет ограничения на величину магнитного заряда. Согласно теории П. Дирака величина магнитного заряда q=(137/2)|е|n, где |е| - абсолютная величина заряда электрона, n=±1,±2,±3... Для величины n нет ограничений.

Напряженность магнитного поля (все величины в системе единиц СГС) Н=q²/r и давление магнитного поля Р=H²/8π должны быть таковыми, чтобы на расстояниях r≤r_с выполнялось бы условие Р≥9·10¹⁰ дин/см² (или даже 90-200 кбар - это требуемые давления для осуществления фазового перехода графит-алмаз в импульсном режиме, для получения алмазов разного вида, см., например, [3] и цитированную там литературу), т.е. для области с радиусом r≤r_с≈6.6·10^-7 q², см возможно указанное превращение микрочастицы графита в алмаз. Какие же размеры могут быть у алмазов, полученных с помощью магнитных монополей? Все зависит от размеров графитовых микрочастицы и величины n. Для технических нужд (для новых нанотехнологий) необходимо, чтобы размеры конструкционных элементов не намного превышали размеры самих атомов, скажем для характерных размеров L≥0.2 нм, естественным ограничением снизу на величину n будет n≥1000. В дополнительных экспериментах были обнаружены микрочастицы алмазов с характерными размерами в нескольких нанометров (с помощью метода комбинационного рассеяния зондирующего лазерного излучения). Для синтезируемых алмазов рассматриваемым способом с размером порядка 100 мкм имеем величину q≈100 СГСЭ, а n≈3·10⁹ [2]. Магнитный монополь с зарядом в 100 СГСЭ всего за один проход синтезирует алмаз размером в 66 мкм (в соответствии с приведенной выше формулой). Время синтеза алмаза указанным способом составляет величину τ=r/v, где v - линейная скорость монополей (не превышает скорости света). Для рассматриваемого примера τ≈2·10^-5 с при скорости v=300 см/с. Т.о. характерные времена данного способа синтеза алмазов микронных и субмикронных размеров - это микросекунды и меньше. Следующие за первым магнитные монополи могут обработать таким образом всю частицу графита, какой бы большой она не была, все будет зависеть от параметров конкретного технического устройства - генератора магнитных монополей. Таким образом, можно синтезировать алмазы достаточно больших размеров (для поликристаллических алмазов ограничения могут быть связаны только с энергозатратами рабочей установки, а для монокристаллических - технологиями магнито-монопольного сканирования и выращивания кристаллов), соизмеримых с размерами естественных алмазов. Времена синтеза даже крупных алмазов по порядку величины могут составлять миллисекунды (за такое время был получен алмаз размером 1.2 мм).

Все вышеперечисленное говорит о том, что заявленное изобретение представляет интерес для микро- и наноэлектроники, для развития новых нанотехнологиий, где требуются алмазы нанометровых размеров, при создании новых сверхпрочных конструкционных материалов, широко применяемых в различных отраслях машиностроения, в производстве уникальных полупроводниковых светодиодов на алмазной основе и даже при создании ювелирных изделий.

Обычно в экспериментах получались алмазы желто-коричневого цвета или бесцветные, прозрачные. В случае, когда графит смешивается с Al₂О₃ получаются прозрачные кристаллы с сине-голубыми оттенками. Синтез красных алмазов происходит благодаря тому, что в окрестности магнитных монополей могут быть сверхсильные магнитные поля (когда давления намного превышают 100 кбар). Причем часто образуются протяженные алмазные волокна в соответствии с [4].

Для иллюстрации на фиг.1-7 представлены: схема эксперимента, микрофотографии полученных образцов алмазов (полученные с помощью сканирующего электронного микроскопа, фиг.2-6) и их типичная электронограмма (результат нашего электронно-структурного анализа, фиг.7, на которой приведен размер а, характеризующий структуру кристаллической решетки алмаза). Кроме того, полученные таким образом алмазы были исследованы другими физическими методами (механическим - для крупных образцов, методами лазерной флуоресценции и комбинационного рассеяния лазерного импульса - для малых образцов, см. фиг.8, на которой хорошо виден сигнал от нанометровых алмазов), подтверждающими, что мы действительно получаем алмазы. Интересно, что порой попадаются образцы микрочастиц графита (полученные из грифеля обычного карандаша), у которых после облучения магнитными монополями лишь часть микрочастицы превращается в алмаз.

В этих экспериментах регистрация магнитных монополей из лазерно-индуцированной плазмы проводилась с помощью пластиковых трековых детекторов CR-39, протравливаемых в растворе 6.25 N NaOH, в течение 20, 40, 60 минут при температуре (55±1)°С. Детекторы размещались в воздухе на расстоянии 1-10 см и в вакууме на расстоянии 1.5 см от плазменного очага. Соответствующие результаты экспериментов опубликованы в работах [1, 2] (см. также работы [5, 6]). В вакууме движущиеся монополи регистрировались еще с помощью рентгеновского фотохронографа РФР-4 [7] с фотокатодом из золота на углеродной пленке. Регистрация изображения с выходного экрана (волоконно-оптическая пластина) производилась с помощью охлаждаемой CCD камеры (Cordin CCD). Обработка сигналов изображения в диапазоне 14 Бит осуществлялась по специально разработанным программам обработки изображения (Cordin CCD Readout System). Рентгеновский фотохронограф РФР-4 монтировался на вакуумной камере, при этом входная щель фотокатода (ширина 200 мкм, высота 15 мм) находилась на расстоянии 23,8 см от поверхности мишени. Регистрировалось изображение щели в режиме без развертки в течение 1 с. В работе [2], на Рис.1 (см. также рис.4, 5 в [5]), показаны РФР-граммы для случая генерации (в вакууме) магнитных монополей, излучение от которых проходит стальную пластинку толщиной в 3 мм, прикрывающей золотой фотокатод.

Указанным способом можно синтезировать кристаллы алмаза строго заданных размеров (и формы), что отличает его от других способов получения синтетических алмазов. Кроме того, можно осуществлять модификацию углеродсодержащих материалов при их облучении потоками магнитных монополей на большой глубине (сейчас уже проверено до нескольких сантиметров) и получать содержащие алмазы композиционные, полупроводниковые и различного вида конструкционные материалы, которые никакими другими способами получить нельзя. Можно получать при этом необходимые коэффициенты теплопроводности и электропроводности синтезируемых алмазов (или конструкционных материалов с алмазами), добиваясь не только высокой механической прочности, но и жаропрочности и даже высокотемпературной сверхпроводимости в облучаемых магнитными монополями углеродсодержащих материалах.

Конечно, могут быть и другие способы получения самих монополей, со временем арсенал методов (способов) их генерации будет расширяться, но для нашего изобретения не это главное. Для рассматриваемого способа синтеза алмазов главное (необходимое и достаточное условие) - это иметь магнитные монополи. Именно благодаря высокому магнитному давлению в окрестности магнитных монополей и реализуются необходимые физические условия фазового перехода графит-алмаз. Если учесть минералообразующее значение давления [8], то в общем случае можно предположить, что магнитные монополи могут быть использованы и для получения других минералов как существующих в природе (например, сапфиров, изумрудов, рубинов и т.д.), так и получаемых другими искусственными способами (карбин из углерода, стишовит из кремния - оба требуют для синтеза импульсные давления порядка 350 кбар), а также для получения новых (неизвестных пока) минералов не только в воздухе, но возможно и в других газообразных и жидких средах (подобным, например, средам, имеющимся в земной коре).

Литература

1. Vogel N.I., Skvortsov V.A. Diagnostics of laser-induced spark discharges in air and vacuum. Proc. 29th EPS Conference on Plasma Physics and Contr. Fusion. Montreux, 17-21 June 2002 ECA Vol.26 B. O-2.30 (2002).

2. Skvortsov V.A., Vogel N.I. The magnetic monopoles generation in laser-induced discharges. Proc. 29th EPS Conference on Plasma Physics and Contr. Fusion. Montreux, 17-21 June 2002 ECA, Vol.26 B. D-5.013 (2002).

3. Savatimski A.I., Fortov V.E., Cheret R. Thermodynamical properties of liquid metals and graphite, and diamond production under fast heating. High Temperatures - High Pressures, Vol.30, pp.1-18(1988).

4. Кадомцев Б.Б., Кудрявцев B.C. Вещество в сверхсильном магнитном поле. ЖЭТФ. Том.62, №1, с.144-160 (1972).

5. Скворцов В.А., Фогель Н.И. Физика нелинейных процессов, происходящих при воздействии пикосекундных импульсов лазерного излучения на танталовые мишени в вакууме и воздухе. Электромагнитные волны и электронные системы. Том.7, №7, с.64-73 (2002).

6. Skvortsov V.A., Vogel N.I. The generation of exotic quasiparticles. In book: "Particle Physics in Laboratory, Space and Universe". World Scientific, New Jersey, London, Singapore, 2005, pp.373-382.

7. Petrov S.I., Lasarchuk V.P., Murugov V.P., et al. in: Proc. of 22 nd Intern. Congress on High-Speed Photography and Photonics. Santa Fe, USA, 27 Oct.-1 Nov., 1996.

8. Петров В.П. Рассказы о драгоценных камнях. М., Наука. 1985, 174 с.

Изобретение относится к области новой технологии создания алмазов и может быть использовано в микро- и наноэлектронике при создании новых сверхпрочных конструкционных материалов, широко применяемых в различных отраслях машиностроения, в производстве полупроводниковых светодиодов на алмазной основе, а также при создании ювелирных изделий. Способ синтеза алмазов заключается в облучении углеродсодержащих материалов потоками образованных из плазмы магнитных монополей в течение времени, определяемом скоростью движения магнитных монополей через облучаемый материал. Процесс не требует ни камер высокого давления, ни специальных нагревательных элементов и может осуществляться при атмосферном давлении и комнатной температуре или вакууме. Способ позволяет получать алмазы заданных размеров и формы высокой чистоты. 8 ил.

Способ синтеза алмазов, заключающийся в облучении углеродсодержащих материалов потоками образованных из плазмы магнитных монополей при атмосферном давлении и комнатной температуре или вакууме в течение времени, определяемом скоростью движения магнитных монополей через облучаемый материал.