Рост алмаза и графита из газовой фазы - Дерягин Б.В.
Скачать (прямая ссылка):
Авторами совместно с В. П. Варниным удалось наращивать алмаз с помощью импульсов пересыщения, создаваемых нагреваемой электрическим током тонкой металлической пластинкой, которая располагалась в непосредственной близости от кристалла. Однако значительная тепловая инерционность такой системы является препятствием для осуществления импульсной кристаллизации.
Отметим, что с помощью импульсного способа удалось наращивать алмаз под каплями расплавленных металлов. Преимущества импульсного способа, способствующие росту метастабильной формы углерода из газовой фазы, вероятно, не ограничиваются системой алмаз—графит. Имеются основания ожидать, что применение периодического импульсного пересыщения может оказать существенное влияние на кристаллизацию двух конкурирующих фаз вообще, а также на получение метастабильных текстур при осаждении из газовой фазы, расплавов и растворов.
3. Нитевидные и изометричные кристаллы алмаза
Нитевидные кристаллы (усы или вискеры) привлекают в настоящее время к себе исследователей в связи с рядом их уникальных свойств: совершенным монокристаллическим строением, способностью сохранять упругие свойства при высоких температурах, способностью после деформации полностью восстанавливать свою
105
форму при последующем нагреве, исключительной прочностью на разрыв, близкой к теоретической. Например, если прочность на разрыв обычного железа равна 18—23 кГ/мм2, то усы из железа диаметром 2 мкм и длиной ~2 мм имеют прочность на разрыв 1200—1300 кГ/мм2. Наибольшую прочность, достигнутую к настоящему времени, показывают нитевидные кристаллы графита [36].
Нитевидные кристаллы до сих пор выращивались в области термодинамической устойчивости. Значение открытия нитевидных кристаллов алмаза двояко: во-первых, показана возможность выращивания нитевидных кристаллов в метастабильных условиях; во-вторых, выявлена принципиальная возможность роста алмаза при низких давлениях из углеродсодержащих газов с очень значительными линейными скоростями до 0,25 мм/час, намного порядков превосходящими, например, линейные скорости наращивания алмазных порошков (несколько ангстрем или, в некоторых случаях, десятки ангстрем в час) [92, 93].
Для проведения экспериментов была использована установка * радиационного нагрева на основе ксеноновой лампы сверхвысокого давления, разработанной под руководством В. П. Сасорова. Установка позволяла фокусировать излучение от лампы на поверхности затравочного алмазного монокристалла, который крепился специальными рениевыми игольчатыми держателями и помещался в сферический кварцевый реактор. Температура монокристалла измерялась оптическим пирометром. За поверхностью затравочного монокристалла можно было наблюдать в микроскоп.
В этих экспериментах было установлено образование и последующий рост нитевидных кристаллов алмаза. Скорость их роста зависит от температуры, давления и некоторых других параметров. Поскольку плотность лучистого потока, применяемого для нагрева кристалла, существенно неоднородна, в процессе роста нитевидных кристаллов условия существенно меняются. Так, при образовании нитевидного кристалла длиной 400 мкм облученность его основания и вершины иногда различалась вдвое. Средняя скорость роста нитевидных кристаллов составляла 10 мкм/час, но в отдельных случаях достигала 50—250 мкм/час.
На рис. 58 приведена фотография нитевидного кристалла алмаза длиной —0,4 мм, выросшего на грани октаэдра алмазного затравочного кристалла. На рис. 59 показан нитевидный кристалл алмаза, выросший на боковой грани затравочного кристалла. Длина этого вискера составляла —1 мм. На снимке виден рениевый держатель.
Специальные опыты показали, что при облучении потоком электронов спектр люминесценции нитевидных кристаллов аналогичен спектру люминесценции подложки. Для более точной идентификации полученных образований после одного из опытов нитевидные кристаллы были осторожно отделены от подложки, раздроблены и
* Установка радиационного нагрева была создана в Отделе поверхностных явлений ИФХ АН СССР Б. В. Дерягиным, Г. Г. Лопата ной и Б. В. Спицы-ным.
106
Рис 58. Нитевидный кристалл алмаза дл! ной ~0,4 мм
Рис. 59. Нитевидный кристалл алмаза длиной ~1 мм
помещены в объектодержатель электронного микроскопа. Результаты исследования дифракции электронов позволили определить следующие межплоскостные расстояния: 2,06; 1,27; 1,068; 0,883; 0,827; 0,719; 0,684; 0,625 A. В то же время известно, что межплоскостные расстояния в алмазе равны соответственно 2,05; 1,26; 1,072; 0,885; 0,813; 0,721; 0,680; 0,620 А.
Полученные электронограммы указывают на монокристаллический характер нитевидных кристаллов.
В некоторых опытах было отмечено, что на вершинах нитевидных кристаллов алмаза имеются темные полусферы, возникшие, вероятно, в результате осаждения перед опытом металлических частиц на поверхность алмаза — подложки. Поэтому были поставлены специальные опыты по росту алмазных усов под расплавленными кап- ^ лями металлов. Подобный метод кристаллизации называется ме- у ¦годом VLS («vapor—liquid—solid»— пар—жидкость—твердое тело).
