Forskere præsenterer diamantsubstrat belagt med niobiumcarbidfilm til superledende detektorer

Diamanter er smukke ædelstene, som takket være deres flimrende gnistre og gennemsigtighed ser godt ud i smykker, men uslebne diamanter er meget mere interessante fra et videnskabeligt synspunkt. Diamantens fysiske og kemiske egenskaber har gjort den til en kritisk komponent for mange enheder inden for optik og elektronik.

Et af de lovende forskningsområder for diamantteknologiske anvendelser er diamantoverflademetallisering, som bruges til at give diamantoverfladen nye egenskaber såsom overlegen varmeledningsevne, god termisk stabilitet, forbedret befugtningsevne og dens oprindelige fysiske og kemiske egenskaber.

En gruppe videnskabsmænd fra Skoltech, Lebedev Physical Institute of the Russian Academy of Sciences og andre førende videnskabelige organisationer har fundet en måde at forbedre diamantadhæsion - bindingen mellem diamant og overgangsmetal - ved hjælp af niobium. Undersøgelsen blev offentliggjort i Journal of Alloys and Compounds .

"Diamant har to begrænsninger relateret til syntesen af ​​store diamantsubstrater og dårlig vedhæftning af metalkontakter til diamantoverfladen. Da vi f.eks. arbejdede med detektorer for ioniserende stråling og påførte kontakter lavet af guld og andre materialer, blev vedhæftningen af Sådanne kontakter til diamant var meget dårlige På det tidspunkt spekulerede vi på, hvordan vi kunne overvinde så dårlig vedhæftning," forklarede Stanislav Evlashin, en medforfatter af undersøgelsen og en assisterende professor ved Skoltechs Materials Center.

En af de mest effektive måder at metallisere diamanter på er ved at sintre den med metaller som titanium, krom, tantal, zirconium og andre. Når de interagerer med kulstof, dannes et lag af metalcarbid. Forfatterne til undersøgelsen valgte niob på grund af dets evne til at danne kemisk stabile film af niobiumcarbider på diamantoverfladen.

"Vi forsøgte at skabe en superleder på diamantoverfladen og indså, at hvis vi aflejrer niobium på den og derefter udgløder den, sker der følgende fasetransformationer under udglødning:niobiumfilmen efter opvarmning bliver til Nb₂C-forbindelsen og efter yderligere opvarmning over 1200 grader – ind i NbC," fortsætter Stanislav Evlashin.

"Teoretiske beregninger af det konstante gitter af niobiumcarbid afhængigt af koncentrationen af ​​kulstofdefekter - ofte i eksperimentet er der kulstofmangel - har vist, at den anvendte metode til syntese af niobiumcarbid på diamant gør det muligt at opnå niobiumcarbid af høj kvalitet med en gitterparameter tæt på fejlfrit materiale," sagde Alexander Kvashnin, medforfatter til undersøgelsen og professor ved Energy Transition Center.

"Beregninger af de superledende egenskaber for niobiumcarbid viste en superledende overgang ved en temperatur på 19,4 K, som viste sig at være tæt på den eksperimentelt målte værdi. Resultaterne indikerer også den høje kvalitet af den eksperimentelt opnåede film."

"Det er bemærkelsesværdigt, at den lave koncentration af defekter i den opnåede niobiumcarbidfilm fører til tilstrækkeligt høje værdier af elektrondiffusion, sammenlignet med andre niobiumbaserede legeringer. Og dette, sammen med de observerede superledende egenskaber, er af praktisk interesse for kvantedetektionsanordninger, " tilføjede Anna Kolbatova, en medforfatter af undersøgelsen og en forsker ved Moscow Pedagogical State University.

Forskerne beviste, at det opnåede niobiumcarbidlag har superledende egenskaber. Hvis denne film påføres overfladen af ​​diamant, vil det være muligt at skabe superfølsomme detektorer på grund af dens høje termiske ledningsevne. Diamantens høje termiske ledningsevne vil hjælpe med at detektere signaler - det ville ske meget hurtigere end med andre materialer.

Undersøgelsen omfattede to projekter. Det første projekt, "Undersøgelse af effekten af ​​legeringselementer på de elektrokemiske egenskaber af nanostrukturerede kulstofmaterialer til skabelse af lovende nuværende kilder," har til formål at opnå resultater, der kan bruges til at skabe elektrokemiske kilder af en ny generation. Det andet projekt, "En ny generation af kvantedetektorer og enkeltfotonkilder baseret på todimensionelle Van der Waals-strukturer," søger at udvikle enheder til kvantedetektion, som skulle overgå de traditionelle.

Blandt dem, der også bidrager til undersøgelsen, er Julia Bondareva, Fedor Fedorov, Alexander Egorov og Nikita Matsokin.

Flere oplysninger: R.A. Khmelnitsky et al, Syntese og karakterisering af niobiumcarbid tynde film på diamantoverflade til superledende anvendelse, Journal of Alloys and Compounds (2023). DOI:10.1016/j.jallcom.2023.173266.

Leveret af Skolkovo Institute of Science and Technology