Когда говорят об искусственных алмазах, то может показаться, что все усилия направлены на то, чтобы научиться получать в лабораториях крупные драгоценные камни. На самом же деле объектом интереса часто бывают алмазные плёнки и порошкообразные материалы, состоящие из крохотных кристаллов, которые не всегда можно увидеть невооружённым глазом. Их размеры могут быть в десятки и даже тысячи раз меньше миллиметра. Алмазные плёнки представляют интерес для разнообразных практических применений благодаря необычным свойствам входящих в их состав кристаллитов.
Помимо рекордной твёрдости, о которой, пожалуй, известно всем, алмаз обладает феноменально высокой теплопроводностью, в несколько раз превышающей теплопроводность меди. Кроме того, чистый алмаз (без дефектов и примесей) — хороший диэлектрик. А при добавлении некоторых примесей алмаз становится полупроводником со всеми вытекающими отсюда «последствиями» для электроники.
Есть у алмаза и ещё одно интересное свойство — отрицательное сродство к электрону. Это значит, что энергия электронов, находящихся на поверхности алмаза, несколько больше, чем энергия электронов на некотором удалении от него. Если материал, обладающий такой особенностью, поместить в электрическое поле, то электроны будут стремиться самопроизвольно «выскакивать» с его поверхности. Такое испускание (или эмиссия) электронов происходит без потерь в энергии, поэтому её называют «холодной», в отличие от термоэлектронной эмиссии, требующей нагрева материала эмиттера (катода) зачастую до очень высокой температуры. Такая «горячая» эмиссия известна нам по работе вакуумных электронных ламп, одной из разновидностей которых были кинескопы, ещё недавно использовавшиеся в телевизорах и различных дисплеях. Потенциальная возможность «бесплатного» (то есть без затрат энергии) получения электронов привлекла внимание огромного числа исследователей и технологов, занимающихся разработкой вакуумных электронных устройств.
Благодаря отрицательному сродству к электрону алмазы можно было бы использовать для повышения эффективности фотоэлектронных устройств. Но, как уже говорилось, алмаз — диэлектрик, то есть плохо проводит электрический ток, представляющий собой поток электронов. Поэтому после испускания одного или нескольких электронов эмиссия прекращается до тех пор, пока к поверхности изнутри алмаза не будут доставлены новые электроны, замещающие эмитированные. Однако доставка электронов требует электрической проводимости. Попытки заставить алмаз проводить электрический ток, не лишая его других полезных качеств, к особому успеху не приводили. Исключение может составить создание атомарно тонкого слоя «алмаза» на поверхности проводящего графита. Квантовые свойства электронов позволяют им без труда проникать сквозь такой атомарно тонкий слой. Эта идея, сформулированная более 15 лет назад, только недавно получила своё окончательное экспериментальное подтверждение.
Альтернативная возможность заключается в использовании проводимости, которая всегда имеется на поверхности любого изолятора. В случае чистого алмаза проводимость связана с тем, что из-за дефектов кристаллической структуры (один из дефектов — сама поверхность кристалла) атомы приобретают свойства, аналогичные свойствам атомов графита — проводящей форме углерода. Таким образом, тонкий слой «графита» на поверхности алмаза может обеспечить необходимый подвод электронов к точке, из которой происходит их «холодная» эмиссия.
Возможность получения «холодной» эмиссии электронов из тонкого слоя «алмаза» на графите и из алмаза, покрытого тонким слоем «графита», экспериментально продемонстрировали исследователи физического факультета МГУ им. М. В. Ломоносова под руководством профессора, доктора физико-математических наук Александра Образцова. Их оригинальные решения основаны на том, что и графит, и алмаз состоят из одинаковых атомов углерода, благодаря чему эти материалы могут переходить друг в друга при опредёленных структурных изменениях, которыми можно управлять при конденсации углерода из газовой фазы. Тонкий слой алмаза на графите получается при синтезе кристаллов графита толщиной от нескольких единиц до десятков нанометров, атомные слои которого имеют изгибы на острых кромках. Тонкий слой графита на алмазе, обеспечивающий необходимый уровень электропроводности, формируется в кристаллитах, выращенных в виде тонких игл толщиной около микрометра и длиной 50—100 микрометров. Их можно закрепить на массивном электроде для подключения к источнику напряжения.
Процессы, использующиеся для формирования игольчатых кристаллитов алмаза, имеют некоторое сходство с образованием льда из паров воды. В определённых условиях формирования лёд может состоять из отдельных кристаллитов иглоподобной формы, что часто наблюдается на поверхности озёр. Аналогично этому алмазные плёнки могут быть получены в виде совокупности иглоподобных кристаллитов.
В большинстве случаев считается, что наилучшее качество алмазных плёнок достигается при формировании плёнок из плотно упакованных кристаллитов одинакового размера. Однако исследователи из МГУ показали, что считавшиеся ранее «плохими» плёнки, состоящие из смеси кристаллитов различного размера и неупорядоченного углерода, также могут оказаться полезными. Физики предложили красивое решение, в котором используется общеизвестный со времён Лавуазье факт, что при нагревании на воздухе углерод окисляется, превращаясь в газообразные окись (СО) или двуокись углерода (СО2). При этом температура окисления существенно зависит от размеров и структурного совершенства углеродного материала. Для относительно больших алмазных кристаллитов она заметно больше, чем для кристаллитов меньшего размера и для неупорядоченного углерода. Таким образом, чтобы удалить из «плохой» алмазной плёнки весь материал, кроме кристаллитов наибольшего размера, достаточно нагреть материал на воздухе или в другой кислородсодержащей среде при определённой температуре. Реализовав этот процесс, сотрудники кафедры физики полимеров и кристаллов физфака МГУ, в состав которой входит лаборатория А. Образцова, усовершенствовали технологию, что дало возможность до некоторой степени менять форму игольчатых кристаллов.
Игольчатые алмазные кристаллиты могут сыграть важную роль в создании квантово-оптических устройств, для которых особое значение имеют люминесцентные характеристики алмаза. Эти характеристики определяются наличием примесей, среди которых самая обычная — азот. Примеси можно вводить в газовую фазу, используемую для осаждения алмазных кристаллов. Контролируемое внедрение примесей в тонкие иглоподобные кристаллиты, как полагают исследователи, позволит управлять квантово-оптическими свойствами алмаза и создавать на его основе элементную базу для квантовых компьютеров.
