Кристаллографические дефекты в алмазе
-
Дефекты в кристаллической решетке алмаза
- Дефекты могут быть результатом неровностей решетки или примесей замещения или внедрения.
- Дефекты влияют на цвет и электропроводность алмаза.
- Дефекты обнаруживаются с помощью спектроскопии, включая ЭПР, PL, CL и поглощение света.
-
Маркировка алмазных центров
- Традиция обозначать дефекты аббревиатурой с номером.
- Некоторые аббревиатуры сбивают с толку из-за схожести символов.
- Нет четкого различия между обозначениями GR, R и TR.
-
Симметрия дефектов
- Симметрия дефектов описывается точечными группами.
- В алмазе наблюдались дефекты тетраэдрической, тетрагональной, тригональной, ромбической, моноклинной и триклинной симметрий.
- Симметрия дефекта влияет на оптические свойства, например, поглощение инфракрасного излучения.
-
Внешние дефекты
- Примеси в алмазе возникают из-за включений посторонних веществ.
- Элементы, вводимые в алмазную решетку, включают азот, бор, водород, кремний, фосфор, никель, кобальт и серу.
- Азот является наиболее распространенной примесью, составляющей до 1% массы алмаза.
-
Азот в алмазе
- Азот может быть в виде одиночных атомов или молекулярного азота.
- С-центры придают алмазам желто-коричневый цвет.
- А-центры создают порог поглощения ультрафиолетового излучения.
- B-центры не индуцируют окрашивание и имеют характерный спектр инфракрасного поглощения.
- Центр N3 создает линию поглощения и люминесценции при 415 нм и сопровождается центром N2.
-
Бор в алмазе
- Алмазы с бором относятся к типу IIb и имеют цвет от голубого до серого.
- Бор является акцептором, создавая электронную дыру в запрещенной зоне.
-
Легирование бором
- Бор поглощает красный свет и делает алмаз электропроводным.
- Требуется мало атомов бора, типичное соотношение 1 атом бора на 1 000 000 атомов углерода.
- Алмазы, легированные бором, пропускают свет до ~ 250 нм и поглощают красный и инфракрасный свет.
-
Фосфор
- Фосфор заменяет углерод в кристаллической решетке алмаза.
- Фосфор имеет энергию ионизации 0,6 эВ, что делает его пригодным для электроники.
- Фосфор используется в ультрафиолетовых светодиодах.
-
Водород
- Водород является важной примесью в полупроводниках, включая алмаз.
- Водород пассивирует примеси бора и фосфора, образуя неглубокие донорские центры.
- В природных алмазах водород связан с пиками ИК-поглощения.
-
Никель, кобальт и хром
- Никель, кобальт и хром добавляются при выращивании алмазов для облегчения превращения графита в алмаз.
- Никель и кобальт встраиваются в решетку алмаза, образуя дефекты.
- Кобальт и хром также образуют дефекты, но их структура неизвестна.
-
Кремний, германий, олово и свинец
- Кремний является распространенной примесью в алмазных пленках.
- Кремниевые вакансии составляют незначительную долю от общего количества кремния.
- Германий, олово и свинец могут быть введены в процессе выращивания или ионной имплантации.
-
Сера
- Сера была введена в алмаз для получения проводимости n-типа, но проводимость оказалась p-типа.
- Сера образует серно-вакансионный комплекс в природных алмазах.
-
Внутренние дефекты
- Внутренние дефекты образуются при облучении высокоэнергетическими частицами.
- Изолированные внедрения нестабильны и образуют расщепленные междоузлия.
- Промежуточные комплексы образуются при взаимодействии расщепленных междоузлий.
- Пустующие межэтажные комплексы образуются при мягком гамма-облучении.
- Изолированная вакансия является наиболее изученным дефектом в алмазе.
-
Оптическое поглощение алмаза
- Алмаз имеет серию резких линий поглощения, называемых GR1-8.
- Линия GR1 при 741 нм является наиболее заметной.
-
Вакансии и их свойства
- Вакансии ведут себя как доноры/акцепторы электронов.
- Уровень энергии для состояний +/0 составляет 0,6 эВ, для 0/- — на 2,5 эВ выше валентной зоны.
-
Многокомпонентные комплексы
- При отжиге алмаза вакансии образуют дивакансии и многовакансийные цепочки.
- Дивакансии не вызывают фотолюминесценции, но отжиг изменяет цвет алмаза с зеленого на желто-коричневый.
-
Дислокации
- Дислокации создают оборванные связи, вводящие энергетические уровни в запрещенную зону.
- Дислокации вызывают широкополосную синюю фотолюминесценцию.
-
Тромбоциты
- Тромбоциты — это плоские дефекты в <100> плоскостях кристаллической решетки.
- Тромбоциты дают резкие пики поглощения в ИК-спектрах.
- Тромбоциты имеют «запрещенную зону» ~1,7 эВ.
-
Пустотники
- Пустотники — это октаэдрические кластеры нанометрового размера.
- Пустотники возникают при термической деструкции тромбоцитов.
-
Взаимодействие дефектов
- Внешние и внутренние дефекты могут взаимодействовать, образуя новые комплексы.
- Вакансии и междоузлия взаимодействуют с азотом, образуя азотно-вакантные центры.
- Бор и кремний также взаимодействуют с вакансиями, создавая оптическое поглощение.
-
Рекомендации
- Химическое осаждение алмаза из газовой фазы.
- Кристаллографический дефект.
- Бриллиантовый цвет.
- Усовершенствование бриллианта.
- Облучение драгоценных камней.
- Свойства материала алмаза.
- Азот-центр вакансий.
- Синтетический алмаз.