Войти
Аморфный углерод представляет собой свободный химически активный углерод, не имеющий какой-либо кристаллической структуры. Аморфные углеродные материалы могут быть стабилизированы путем прекращения оборванных π-связей с помощью водорода. Как и в случае с другими аморфными твердыми телами, может наблюдаться некоторый ближний порядок. Аморфный углерод часто обозначают 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 аморфный углерод - это название, используемое для угля, сажи, углерода на основе карбида, и другие нечистые формы углерода, которые не являются ни графитом, ни алмазом. Однако в кристаллографическом смысле материалы не являются действительно аморфными, а скорее поликристаллическими материалами из графита или алмаз в аморфной углеродной матрице . Промышленный углерод также обычно содержит значительные количества других элементов, которые также могут образовывать кристаллические примеси.
С развитием современной тонкой пленки d Технологии осаждения и выращивания во второй половине 20 века, такие как химическое осаждение из паровой фазы, напыление и катодно-дуговое осаждение, 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 любыми другой аллотроп углерода. Он также содержит высокую концентрацию оборванных связей; они вызывают отклонения в межатомном расстоянии (измеренное с помощью дифракции ) более чем на 5%, а также заметное изменение угла связи.
Свойства пленок из аморфного углерода меняются в зависимости от используемых параметров во время осаждения. Первичный метод определения характеристик аморфного углерода заключается в соотношении sp и sp гибридизированных связей, присутствующих в материале. Графит состоит исключительно из sp-гибридизированных связей, тогда как алмаз состоит исключительно из sp-гибридизированных связей. Материалы с высоким содержанием sp-гибридизированных связей называются тетраэдрическим аморфным углеродом из-за тетраэдрической формы, образованной sp-гибридизированными связями, или алмазоподобным углеродом (из-за сходства многих физических свойств с таковыми у алмаза).
Экспериментально отношение sp к sp можно определить путем сравнения относительных интенсивностей различных спектроскопических пиков (включая EELS, XPS и Рамановская спектроскопия ) к ожидаемым для графита или алмаза. В теоретических работах отношения sp к sp часто получают путем подсчета количества атомов углерода с тремя связанными соседями по сравнению с атомами с четырьмя связанными соседями. (Этот метод требует выбора в некоторой степени произвольной метрики для определения того, считаются ли соседние атомы связанными или нет, и поэтому используется просто как показатель относительного отношения sp-sp.)
Хотя характеристика аморфного углерода может показаться, что материалы по соотношению sp-sp указывают на одномерный диапазон свойств между графитом и алмазом, но 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 полициклических ароматических углеводородов смол и являются поэтому почти наверняка канцерогенный.
Q-углерод, сокращение от «закаленный углерод», представляет собой тип аморфного углерода, который, как сообщают его первооткрыватели, является ферромагнитным, электропроводный, тверже алмаза и способный 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 мнению исследователей, Q-углерод демонстрирует случайную аморфную структуру, которая представляет собой смесь 3-стороннего (sp) и 4-стороннего (sp) связывания, а не однородного sp-связывания. найдено 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 азот-вакансий наноалмазов.
В 2015 году исследовательская группа под руководством Джагдиша Нараяна, профессора материаловедение и инженерия в Государственном университете Северной Каролины, а также аспирант Анаг Бхаумик объявили 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 патентными заявками в 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.
Как правило, алмаз образуется при нагревании углерода на очень высокие температуры (>5000 K ) и давления (>120,000 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 превращать 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 этот метод, алмаз можно легировать как n-, так и p-типом легирующими добавками, что имеет решающее значение для мощной твердотельной электроники. Во время быстрого роста кристалла из-за плавления концентрации примеси могут значительно 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.
Исследователям потребовалось всего 15 минут, чтобы получить один карат из Q-углерода. Первоначальные исследования создали Q-углерод из тонкой пластины сапфира, покрытой аморфным (некристаллическим) углеродом. Дальнейшие исследования показали, что другие подложки, такие как стекло или полимер, также работают. Впоследствии эта работа была расширена для преобразования h-BN в фазово-чистый c-BN.
Q-углерод некристаллический, и хотя он имеет смешанные sp- и sp-связи, он в основном это sp, который предлагается для объяснения 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, а длина связи меньше, чем у алмаза. В отличие от всех других известных форм углерода, Q-углерод является ферромагнитным, с намагниченностью насыщения 20 emu / г и расчетной температурой Кюри приблизительно на 500 К.
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.
Легированный бором Q-углерод 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.
