En diamant som springbræt til nye materialer, ved hjælp af plasma fysik teknologi

Fysikere fra University of Alabama i Birmingham har taget det første skridt i en femårig indsats for at skabe nye forbindelser, der overgår diamanter i varmebestandighed og næsten konkurrerer med dem i hårdhed.

De understøttes af et femårigt, $ 20 millioner National Science Foundation -pris til at skabe nye materialer og forbedre teknologier ved hjælp af den fjerde tilstand - plasma.

Plasma - i modsætning til de andre tre materielle tilstande, solid, væske og gas - findes ikke naturligt på Jorden. Dette ioniserede gasformige stof kan fremstilles ved opvarmning af neutrale gasser. I laboratoriet, Yogesh Vohra, en professor og universitetsforsker ved UAB Institut for Fysik, bruger plasma til at skabe tynde diamanter film. Sådanne film har mange potentielle anvendelser, såsom belægninger for at gøre kunstige fuger langvarige eller for at bevare skarpheden af ​​skæreværktøjer, udvikle sensorer til ekstreme miljøer eller skabe nye superhårde materialer.

For at lave en diamantfilm, Vohra og kolleger strømmer en blanding af gasser ind i et vakuumkammer, opvarmning af dem med mikrobølger for at skabe plasma. Lavtrykket i kammeret svarer til atmosfæren 14 miles over jordens overflade. Efter fire timer, dampen har afsat en tynd diamantfilm på sit mål.

I et papir i journalen Materialer , Vohra og kolleger ved UAB College of Arts and Sciences undersøgte, hvordan tilsætning af bor, mens du laver en diamantfilm, ændrede egenskaber ved diamantmaterialet.

Det var allerede kendt, at hvis gasserne er en blanding af metan og brint, forskerne får en mikrokrystallinsk diamantfilm, der består af mange små diamantkrystaller, der i gennemsnit er omkring 800 nanometer store. Hvis der tilsættes nitrogen til denne gasblanding, forskerne får nanostruktureret diamant, består af ekstremt små diamantkrystaller i gennemsnit kun 60 nanometer i størrelse.

I denne undersøgelse, Vohra -teamet tilføjede bor, i form af diboran, eller B2H6, til hydrogen/methan/nitrogen -fodergassen og fandt overraskende resultater. Kornstørrelsen i diamantfilmen steg pludselig fra 60-nanometeret, nanostruktureret størrelse set med tilførselsgassen hydrogen/methan/nitrogen til et 800-nanometer, mikrokrystallinsk størrelse. Desuden, denne ændring skete med kun få mængder diboran, kun 170 dele pr. million i plasmaet.

Ved hjælp af optisk emissionsspektroskopi og varierende mængder diboran i fodergassen, Vohras gruppe fandt ud af, at diboranen reducerer mængderne af carbon-nitrogen-radikaler i plasmaet. Dermed, Vohra sagde, "vores undersøgelse har klart identificeret kulstof-kvælstof-arters rolle i syntesen af ​​nanostrukturerede diamanter og undertrykkelse af kulstof-nitrogen-arter ved tilsætning af bor til plasmaet."

Da tilsætning af bor også kan ændre diamantfilmen fra en ikke -leder til en halvleder, UAB -resultaterne giver en ny kontrol af både diamantfilmkornstørrelse og elektriske egenskaber til forskellige applikationer.

I løbet af de næste år, Vohra og kolleger vil undersøge brugen af ​​mikrobølgeovnens plasma kemiske dampaflejringsproces til at lave tynde film af borcarbider, bornitrider og carbon-bor-nitrogenforbindelser, på udkig efter forbindelser, der overlever varme bedre end diamanter og også har en diamantlignende hårdhed. I nærvær af ilt, diamanter begynder at brænde på omkring 1, 100 grader Fahrenheit.