Аморфный углерод - Amorphous carbon
Аморфный углерод - это свободный реактивный углерод, не имеющий кристаллической структуры . Аморфные углеродные материалы могут быть стабилизированы путем разрыва оборванных π-связей с водородом . Как и в случае с другими аморфными твердыми телами , может наблюдаться некоторый ближний порядок. Аморфный углерод часто обозначается аббревиатурой aC для общего аморфного углерода, aC: H или HAC для гидрированного аморфного углерода или до ta-C для тетраэдрического аморфного углерода (также называемого алмазоподобным углеродом ).
В минералогии
В минералогии аморфный углерод - это название, используемое для обозначения угля , сажи , углерода карбидного происхождения и других нечистых форм углерода, которые не являются ни графитом, ни алмазом. Однако в кристаллографическом смысле материалы не являются действительно аморфными, а скорее поликристаллическими материалами из графита или алмаза в аморфной углеродной матрице . Коммерческий углерод также обычно содержит значительные количества других элементов, которые также могут образовывать кристаллические примеси.
В современной науке
С развитием современных методов осаждения и выращивания тонких пленок во второй половине 20-го века, таких как химическое осаждение из газовой фазы , напыление и осаждение катодной дугой , стало возможным изготавливать действительно аморфные углеродные материалы.
Истинный аморфный углерод имеет локализованные π-электроны (в отличие от ароматических π-связей в графите), и его связи образуются с длиной и расстоянием, несовместимыми с любым другим аллотропом углерода . Он также содержит высокую концентрацию оборванных связей; они вызывают отклонения в межатомном расстоянии (измеренном с помощью дифракции ) более чем на 5%, а также заметное изменение валентного угла.
Свойства пленок аморфного углерода меняются в зависимости от параметров, используемых во время осаждения. Первичный метод определения характеристик аморфного углерода заключается в соотношении гибридизированных связей sp 2 к sp 3, присутствующих в материале. Графит состоит исключительно из гибридизированных связей sp 2 , тогда как алмаз состоит исключительно из гибридизированных связей sp 3 . Материалы с высоким содержанием sp 3 -гибридизированных связей называются тетраэдрическим аморфным углеродом из-за тетраэдрической формы, образованной sp 3- гибридизированными связями, или алмазоподобным углеродом (из-за сходства многих физических свойств со свойствами алмаза).
Экспериментально отношение sp 2 к sp 3 можно определить путем сравнения относительных интенсивностей различных спектроскопических пиков (включая EELS , XPS и рамановскую спектроскопию ) с ожидаемыми для графита или алмаза. В теоретических работах отношения sp 2 к sp 3 часто получают путем подсчета количества атомов углерода с тремя связанными соседями по сравнению с атомами с четырьмя связанными соседями. (Этот метод требует принятия решения о некоторой степени произвольной метрики для определения того, считаются соседние атомы соединены или нет, и, следовательно , используется просто как указание относительной зр 2 -sp 3 отношения.)
Хотя характеристика аморфных углеродных материалов соотношением sp 2 -sp 3 может показаться указанием на одномерный диапазон свойств между графитом и алмазом, это определенно не так. В настоящее время продолжаются исследования способов описания и расширения диапазона свойств, предлагаемых аморфными углеродными материалами.
Все практические формы гидрогенизированного углерода (например, дым, дымовая сажа, добытый уголь, такой как битум и антрацит) содержат большие количества смол полициклических ароматических углеводородов и поэтому почти наверняка являются канцерогенными.
Q-углерод
Q-углерод , сокращение от закаленного углерода, представляет собой тип аморфного углерода, который, как сообщают его первооткрыватели, является ферромагнитным , электропроводным , тверже алмаза и способным проявлять высокотемпературную сверхпроводимость . Первооткрыватели опубликовали научные статьи по синтезу и характеристике Q-углерода, но по состоянию на 2019 год еще не было никакого независимого экспериментального синтеза или подтверждения этих заявленных свойств.
По словам исследователей, Q-углерод демонстрирует случайную аморфную структуру, которая представляет собой смесь трехстороннего (sp 2 ) и четырехстороннего (sp 3 ) связывания , а не однородного sp 3 связывания, которое встречается в алмазах. Углерод плавится с использованием наносекундных лазерных импульсов, затем быстро гасится с образованием Q-углерода или смеси Q-углерода и алмаза. Q-углерод может иметь множество форм, от наноигл до алмазных пленок большой площади. Исследователи также сообщают о создании наноалмазов с вакансиями азота .
Открытие
В 2015 году исследовательская группа во главе с Джагдишем Нараяном , профессором материаловедения и инженерии в Государственном университете Северной Каролины , и аспирантом Анаг Бхаумик объявила об открытии Q-углерода. Они также объявили об открытии Q- нитрида бора (Q-BN) и превращении углерода в алмаз и h-BN в c-BN при температуре окружающей среды и давлении воздуха.
Процесс начался с статей Нараяна о лазерном отжиге , опубликованных в Science , и завершился в 2015–2016 годах еще одной серией статей и тремя заявками на патенты США: 62/245,108 (2015); 62/202 202 (2015); и 62 / 331.217 (2016). Компания Q-Carbon Inc. получила лицензию на коммерческое использование продуктов на основе Q-углерода, алмаза, Q-BN и c-BN.
Производство
Обычно алмаз образуется при нагревании углерода при очень высоких температурах (> 5000 К ) и давлениях (> 120000 атмосфер ). Однако Нараян и его группа использовали кинетику и контроль времени импульсного наносекундного лазерного плавления, чтобы преодолеть термодинамические ограничения и создать переохлажденное состояние, которое позволяет преобразовывать углерод в Q-углерод и алмаз при температуре и давлении окружающей среды. В этом процессе используется мощный лазерный импульс, аналогичный тому, который используется в хирургии глаза, длительностью около 200 наносекунд. Это повышает температуру углерода примерно до 4000 К (3700 ° C; 6700 ° F) при атмосферном давлении . Полученную жидкость затем гасят (быстро охлаждают); именно эта стадия является источником буквы «Q» в названии материала. Степень переохлаждения ниже температуры плавления определяет новую фазу углерода, будь то Q-углерод или алмаз. Более высокие скорости охлаждения приводят к образованию Q-углерода, тогда как алмаз имеет тенденцию образовываться, когда свободная энергия углеродной жидкости равна свободной энергии алмаза.
Используя эту технику, алмаз можно легировать легирующими добавками как n-, так и p-типа , что критично для мощной твердотельной электроники . Во время быстрого роста кристаллов в результате плавления концентрации примесей могут намного превышать термодинамический предел растворимости из-за явления захвата растворенного вещества. Это необходимо для достижения достаточно высоких концентраций свободных носителей, поскольку эти легирующие примеси, как правило, являются глубокими донорами с высокими энергиями ионизации .
На изготовление одного карата Q-углерода у исследователей ушло всего 15 минут . Первоначальные исследования создали Q-углерод из тонкой пластины сапфира, покрытой аморфным (некристаллическим) углеродом. Дальнейшие исследования показали, что и другие подложки , например стекло или полимер , также работают. Впоследствии эта работа была расширена для преобразования h-BN в фазово-чистый c-BN.
Свойства
Q-углерод некристаллический, и хотя он имеет смешанные связи sp 2 и sp 3 , в основном это sp 3 , что предлагается как объяснение его твердости, а также его электрических, оптических и магнитных свойств. Q-углерод тверже алмаза на 48–70%, потому что углерод в расплавленном состоянии является металлическим и плотно упакован с меньшей длиной связи, чем в алмазе. В отличие от всех других известных форм углерода, Q-углерод является ферромагнитным с намагниченностью насыщения 20 emu / g и расчетной температурой Кюри примерно 500 K.
В зависимости от скорости тушения из переохлажденного состояния Q-углерод может быть полупроводником или металлическим. Он светится больше, чем алмаз, когда подвергается воздействию даже низких уровней энергетического излучения из-за его более сильного отрицательного сродства к электрону .
Q-углерод, легированный бором, демонстрирует сверхпроводимость типа BCS при температурах до 57 К.
Некоторые группы предоставили теоретические объяснения заявленных свойств Q-углерода, включая рекордную высокотемпературную сверхпроводимость, ферромагнетизм и твердость.