Ученые СКФО разработали методы проверки искусственных алмазов
Исследования проводили сотрудники лаборатории сверхтвердых материалов НИТУ "МИСиС", которые многие годы их синтезируют и на этой основе разрабатывают технологии изготовления высокоточных инструментов. А ставропольских ученых решили привлечь из-за успехов в изучении керамики.
- В этом проекте мы были официальными соисполнителями, и нашей задачей стало создание ряда методик для оценки качества алмазов. У нас такой опыт уже имелся - для Фонда перспективных исследований мы разрабатывали методики оценки качества керамики на всех стадиях изготовления, - рассказал корреспонденту "РГ" заведующий научно-лабораторным комплексом чистых зон Инженерного института СКФУ Виталий Тарала.
Речь идет об оптической лазерной керамике, которая используется в медицине, оборонной и космической промышленности. Полученный в СКФУ материал оказался лучше японского аналога. По своим свойствам он также превосходит применяемые сейчас в лазерах стекла и монокристаллы. Приборы, созданные на основе оптической керамики, станут более дешевыми, эффективными и компактными. Спектр их использования широк: от лазерных скальпелей в медицине до поджигателей ракетных двигателей в космических аппаратах.
Современные технологии позволяют выращивать монокристалл кремния (основной материал для электроники) диаметром до двух метров со скоростью два миллиметра в час. Технологии выращивания монокристалла сапфира тоже доведены до совершенства. Ими пользуется завод в Ставрополе, который держит мировое лидерство в производстве этого материала. Сейчас на предприятии могут выращивать кристаллы массой 350 килограммов. Компания экспортирует более 98 процентов продукции в 25 стран.
Если же говорить об алмазе, то это более специфический материал. Он обладает самой высокой в природе теплопроводностью, твердостью и прозрачностью в широком диапазоне. Но технологии получения монокристалла алмаза намного сложнее, чем других минералов. Их две: первая - использование высокого давления и температуры, вторая - синтез из газовой фазы (CVD - Chemical Vapor Deposition).
Традиционная технология - создание камня при очень высоком давлении и в условиях, похожих на те, в каких он зарождается в земной коре, - была распространена и в Советском Союзе и по всему миру. В случае с CVD-алмазами газовая фаза формирования проходит в разреженной среде. Для этого используются специальные реакторы, в которых с помощью метана зажигается плазма, а из нее уже растет кристалл. Как правило, скорость роста не превышает двух-трех микрометров в час. Микрометр - одна миллионная метра.
Эта технология сейчас развивается быстрыми темпами, так как позволяет получить более чистый алмаз без включений чужеродных атомов. Цена такого изделия, конечно, высока. Задача, которую ставили перед "МИСиС", - придумать технологию для промышленного применения.
- Наши методики позволяют оценить характеристики выращенного с помощью CVD алмаза. Данный процесс создания камня хоть и управляемый, но не всегда однозначный в плане конечного результата, - объясняет Виталий Тарала. - Ведь на результат влияет очень много параметров: скорость расхода газа, давление, мощность излучения для разжигания и поддержания горения плазмы, соотношение газов, температура подложки и многое другое. Чтобы их корректировать и объективно оценивать полученные алмазы, избегать дефектов, требуются неразрушающие методики исследований.
Дело в том, что при анализе важно не влиять на объект, не изменять его состав, структуру или отдельные свойства. Также технологии не должны быть сложными для подготовки к проведению исследования. Неразрушающие методики существенно превосходят в этом плане другие (например, спектральный анализ с применением угольного электрода, дающего помехи при интерпретации дефектов алмаза).
"Наши ученые определили, что для анализа алмазных материалов самым надежным, быстрым и не требующим сложного оборудования и подготовки является комплекс спектрометрических методов, состоящий из Рамановской и ИК-Фурье спектроскопии, а также спектрофотометрии. Эти методы основаны на взаимодействии каждого атома исследуемого материала с падающим излучением. В зависимости от состава и искажения кристаллической решетки получаются различные спектры, расшифровка которых позволяет определить интересующие характеристики материала", - рассказали в пресс-службе СКФУ.
Сегодня алмазы используются в разных отраслях, в том числе высокотехнологичных, например, для создания датчиков радиационного излучения. Алмазы необходимы для изготовления мощных лазеров, потому что высокая теплопроводность и прозрачность в широком диапазоне позволяют активно использовать их в оптике. А полученные вместе с учеными из СКФУ данные уже позволили сотрудникам НИТУ "МИСиС" оперативно отбирать качественные алмазные подложки для получения высококачественных монокристаллов алмаза, в том числе крупных размеров.