Алмазы привлекают внимание не только своей формой и прозрачностью, но и рядом физико-механических характеристик, таких как высокая твёрдость, теплопроводность и значительный показатель преломления. Для использования алмазов в областях оптики, электроники и электрохимии применяется процесс металлизации, который включает нанесение тонкого слоя переходного металла на матрицу алмаза.
Станислав Евлашин, соавтор исследования и старший преподаватель в Центре технологий материалов «Сколтеха», объяснил, что у алмаза существуют два ограничения, связанные с синтезом больших пластин и его металлизацией.
Он отметил, что в процессе металлизации алмаза большинство контактов на нём не удерживается, приведя в пример работы над детекторами для ионизирующего излучения, где адгезия контактов к алмазу оставляла желать лучшего. В этот момент исследователи задались вопросом о возможности улучшения адгезии контактов к алмазу.
Один из наиболее эффективных методов металлизации алмазов включает их спекание с металлами, такими как титан, хром, кремний, тантал, цирконий и другими. В результате взаимодействия с углеродом образуется слой карбида металла.
Авторы проведённого исследования выбрали ниобий как материал для металлизации из-за его способности формировать химически стабильные плёнки карбидов ниобия на поверхности алмаза. Эти плёнки обладают отличной сверхпроводимостью, высокой температурой плавления и механической прочностью.
Станислав Евлашин объявил, что они предприняли попытки создать сверхпроводник на поверхности алмаза. Он пояснил, что при нанесении на алмаз ниобия, последующем отжиге и образовании карбида ниобия, происходит химическая реакция с поверхностью. В результате этих процессов образуется соединение Nb₂C, которое при дальнейшем нагреве свыше 1200 ℃ превращается в NbC.
Александр Квашнин, соавтор исследования и профессор проектного центра по энергопереходу, отметил, что теоретические расчёты постоянной решетки карбида ниобия в зависимости от концентрации дефектов по углероду указали на часто встречающийся в эксперименте дефицит углерода.
Он подчеркнул, что метод синтеза карбида ниобия на алмазе, использованный в исследовании, обеспечивает получение высококачественного материала с параметром решётки, близким к бездефектному.
Расчёты сверхпроводящих характеристик карбида ниобия подтвердили наличие сверхпроводящего перехода при температуре 19.4 K, что соответствует экспериментально измеренным значениям. Полученные результаты также свидетельствуют о высоком качестве экспериментально полученной пленки.
Анна Колбатова, научный сотрудник Московского педагогического государственного университета и соавтор исследования, отметила, что полученный карбид ниобия характеризуется низкой концентрацией дефектов, что сопровождается высокими значениями электронной диффузии по сравнению с другими ниобиевыми сплавами.
Это свойство, в сочетании с наблюдаемыми сверхпроводящими характеристиками, представляет интерес для использования в устройствах квантового детектирования.
Исследователи пришли к заключению, что карбид ниобия, полученный в ходе исследования, обладает свойствами сверхпроводимости. При нанесении этой пленки на поверхность алмаза возможно создание сверхчувствительных детекторов благодаря высокой теплопроводности. Примечательно, что высокий теплоотвод в алмазе позволяет обнаруживать сигналы намного быстрее, чем в других материалах.
Исследование выполнено в рамках двух грантов Российского научного фонда (РНФ). Проект под названием «Исследование влияния легирующих элементов на электрохимические характеристики наноструктурированных углеродных материалов для создания перспективных источников тока» (№ 22-73-10198) направлен на получение результатов, которые могут быть использованы при создании электрохимических источников нового поколения.
В рамках проекта «Новое поколение квантовых детекторов и источников одиночных фотонов на основе двумерных Ван-дер-Ваальс структур» (№ 21-72-10117) ведётся работа по созданию устройств для квантового детектирования, которые должны превзойти по характеристикам устройства, разработанные с использованием традиционных технологий нанопроизводства.
