Оптически активные дефекты в алмазе закономерности образования и взаимной трансформации

Автореферат

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

1. 
   облучению высокоэнергетическими частицами (электронами и нейтронами) с последующим отжигом при 800 ÷1500^○ С, или без него;
   
2. 
   высокотемпературному отжигу в при 1800÷2300^○С в условиях стабильности алмаза - т.н. НРНТ отжигу (от английского “High Pressure/High Temperature”);
   
3. 
   НРНТ отжигу в комбинации с последующим облучением электронами 3 МэВ/(10 ¹⁷ ÷ 2×10 ¹⁸ см ^-2) и отжигом при 800 ÷1700^○ С;
   
4. 
   высокотемпературному отжигу при 1500÷ 2300^○С в условиях стабильности графита при атмосферном давлении - т.н. АРНТ отжигу (от английского «Аtmospheric Pressure/High Temperature»);
   
5. 
   высокотемпературному отжигу в аргоново -водородной плазме при 1000÷1700^○С - т.н. LPHТ отжигу (от английского « Low Pressure/High Temperature»).
   

1. 
   При минимальных скоростях выращивания (~10^-6 см/сек) в алмазах типа Ib: а) минимизируются структурные дефекты и упругие напряжения; б) достигается равномерное распределение примесных дефектов; в) вследствие уменьшения тушащего действия донорного азота интенсивность процессов излучательной рекомбинации возрастает на два-три порядка. Критерием совершенства кристаллов является отношение µ₁₁₃₀/ µ₁₃₄₄, которое при уменьшении скорости выращивания от 10^-3 до 10^-6 см/сек, уменьшается на 20-26 % – в никелевых, и на 40-50 % – в кобальтовых алмазах, достигая в наиболее совершенных кристаллах значений 1,48 и 0,95, соответственно.
   
2. 
   Термобарический отжиг никелевых кристаллов при возрастающих от 1350 до 1740 ^оС температурах приводит: а) к С→А – агрегации и плавному изменению физического типа алмазов от Ib до IaА; б) образованию новых азотно-никелевых дефектов: S2, S3, 793 нм. Увеличение концентрации ростовых никелевых дефектов, приводит к понижению Е_А - энергии активации С→А – агрегации с 6,1 до 2,8 эВ.
   
3. 
   При отжиге без давления, С→А – агрегация в никелевых кристаллах активируется при 1700^оС и протекает с Е_А ≈ 6,6±0,6 эВ по интерстиционному механизму, связанному с трансформацией ионов никеля. Появление в структуре NV –, и N_I – дефектов приводит к появлению двух дополнительных каналов агрегации: вакансионного - с участием С-, и NV – дефектов; канала с участием донорного и интерстиционного азота; вследствие чего Е_А понижается до ≈ 0,5 ÷ 1,5 эВ. Большие значения E_A в кобальтовых кристаллах объясняются меньшим влиянием на агрегацию ионов кобальта, из-за их большего, по сравнению с никелем, атомного радиуса.
   
4. 
   Термодиффузия протонов в структуру никелевых кристаллов, становиться заметной при отжиге алмазов в водородной плазме при 1700 °С и сопровождается частичным осветлением кристаллов, возрастанием в них внутренних напряжений, блокированием С→А – агрегации. Диффузия протонов облегчена в кристаллах с большей концентрацией С-дефектов.
   
5. 
   При облучении электронами (3МэВ/10¹⁸см^-2) каждый третий из падающих на кристалл электронов генерируют одно первичное смещение атома; при этом в алмазах типа Ib, с [N_C] ≤ 12 ppm, образуется ≈ 9 ppm изолированных вакансий, среди которых доля отрицательно заряженных возрастает с 6 (при [N_C] =0,5 ppm) до 67% (при [N_C] =12 ppm). Скорость образования изолированных вакансий возрастает, а пороговая энергия смещения атома углерода в алмазной решетке понижается, по мере возрастания внутренних напряжений, причиной которых является донорный азот.
   
6. 
   Отжиг облученных алмазов приводит к образованию: а) в кристаллах типа Ib N_I-, и NV- дефектов, при этом концентрация азотных интерстиций связана с интенсивностью ИК полосы 1450 см^-1 соотношением: [N_I](ppm)=(3±0,6 ppm/ см^-1)× µ₁₄₅₀ (см^-1); при [N_C] ≤ 3,5 ppm, доминируют дефекты NV^○; при [N_C] > 3,5 ppm - дефекты NV^-; б) в кристаллах псевдотипа IaAB1+Ib - Н4/Н5 – дефектов, где Н5-дефект (система с линией 804,8 нм/1,539 эВ) связывается с Н4-дефектом, захватившим пятый валентный электрон С-дефекта: Н5 = Н4 + е^-.
   
7. 
   Произведение флюенса «надтепловых» нейтронов на суммарное содержание азота в кристалле, при котором, в результате трансформации N_I – дефектов при 1500°С, образуется около 4 ppm С-дефектов, составляет 380×10¹⁷ ppm×нейтронов/см².
   
8. 
   При НРНТ отжиге природных алмазов одновременно происходят две группы процессов, скорость которых выше в более деформированных кристаллах: а) разрушение имеющих дислокационную природу центров коричневой окраски, сопровождающееся образованием, миграцией и захватом вакансий, с появлением Н3/Н2-, N3- центров окраски; б) диссоциация и агрегация А – дефектов, с образованием С-, и В1-, а иногда и В2 - дефектов, соответственно.
   
9. 
   При температурах 1800-2300°C НРНТ отжига: а) Е_А диссоциации А - дефектов варьируется в диапазоне от 6,4 эВ - для бесцветных недеформированных кристаллов, до 3.7 эВ - для темно коричневых сильно деформированных кристаллов; б) поведение водородной линии 3107 см^-1 показывает наличие в алмазах, источников водорода, предположительно микрочастиц графита, что подтверждается НРНТ отжигом графитсодержащих алмазов; в) исходная коричневая окраска в кристаллах типа Ia ослабевает и переходит в желто-зеленую, обусловленную доминирующими азотными C-, H3/H2-, N3-дефектами; г) при температуре отжига выше 2500°C алмазы становятся практически бесцветными - из азотных дефектов остается только В1.
   
10. 
    При термоударном режиме АРНТ отжига происходит такая же трансформация структурных дефектов, что и при НРНТ отжиге.
    

2. 
   Основной практический результат состоит в создании научно
   

2. 
   Проведены исследования спектроскопических и лазерных свойств
   

2. 
   Разработана и защищена Патентом РФ технология облагоражива-
   

2. 
   Результаты исследований используются при выращивании крупных монокристаллов алмаза на АВД типа БАРС.
   
3. 
   Полученные данные о закономерностях взаимной трансформации оптически активных дефектов использованы в монографии «Геммология алмаза» (В составе авторского коллектива под ред. проф.Солодовой. РГГРУ им. Орджоникидзе. М., 2008, 523 стр.).
   
4. 
   Исследования ИК спектров поверхностных загрязнений в алмазе привели к созданию новых технологий глубокой очистки алмазов (Патент РФ 2285070 «Способ очистки алмаза») и обогащения алмазосодержащих концентратов (Патент РФ № 2316472 «Способ обработки алмазосодержащих концентратов»)
   

1. 
   Наибольшим структурным совершенством среди синтетических алмазов типа Ib обладают кристаллы, полученные при минимальных скоростях выращивания, вследствие чего в них минимизированы структурные дефекты и упругие напряжения, равномерно распределены примесные дефекты, интенсивны процессы излучательной рекомбинации. Критерием совершенства таких алмазов является отношение µ₁₁₃₀/ µ₁₃₄₄, достигающее в наиболее совершенных никелевых и кобальтовых кристаллах значений 1,48 и 0,95 – соответственно.
   
2. 
   Атомы донорного азота являются причиной: а) тушения процессов излучательной рекомбинации; б) внутренних напряжений, облегчающих образование изолированных вакансий при облучении высокоэнергетичными электронами; в) ускорения диффузии протонов в кристаллическую решетку при LPHT отжиге; г) компенсации заряда в паре дефектов Н4/Н5, где Н5-дефект (ЭКС с БФЛ 804,8 нм/1,539 эВ) связывается с Н4-дефектом, захватившим валентный электрон донорного азота: Н4 + е^-→Н5.
   
3. 
   При отжиге без давления, С→А – агрегация в никелевых кристаллах активируется при 1700^оС и протекает с Е_А ≈ 6,6±0,6 эВ по интерстиционному механизму, связанному с трансформацией ионов никеля. Появление в структуре NV –, и N_I – дефектов приводит к появлению двух дополнительных каналов агрегации: вакансионного - с участием С-, и NV – дефектов; канала с участием донорного и интерстиционного азота; вследствие чего Е_А понижается до ≈ 0,5 ÷ 1,5 эВ. Большие значения E_A в кобальтовых кристаллах объясняются меньшим влиянием на агрегацию ионов кобальта, из-за их большего, по сравнению с никелем, атомного радиуса.
   
4. 
   При облучении электронами (3МэВ/10¹⁸см^-2) каждый третий из падающих на алмаз электронов генерируют одно первичное смещение атома; при этом в кристаллах типа Ib (с [N_C]≤ 12 ppm) образуется ~9 ppm изолированных вакансий, среди которых доля отрицательно заряженных возрастает с 6 (при [N_C]=0,5 ppm) до 67% (при [N_C]=12 ppm).
   
5. 
   Концентрация азотных интерстиций, связана с интенсивностью ИК полосы 1450 см^-1 соотношением: [N_I](ppm)=(3±0,6 ppm/см^-1)×µ₁₄₅₀(см^-1); сечения поглощения интерстиционного и донорного азота отличаются на порядок.
   
6. 
   Произведение флюенса «надтепловых» нейтронов на суммарное содержание азота в кристалле, при котором, в результате трансформации N_I – дефектов при 1500°С, образуется около 4 ppm С-дефектов, составляет 380×10¹⁷ ppm×нейтронов/см².
   
7. 
   При НРНТ отжиге природных алмазов одновременно происходят две группы процессов, скорость которых выше в более деформированных кристаллах: а) разрушение имеющих дислокационную природу центров коричневой окраски, сопровождающееся образованием, миграцией и захватом вакансий, с появлением H3/H2-, N3-центров окраски; б) диссоциация и агрегация А – дефектов, с образованием С-, и В1-, а иногда и В2 - дефектов, соответственно.
   
8. 
   Поведение при НРНТ отжиге водородной линии 3107 см^-1 и обесцвечивание серых графитсодержащих алмазов имеет одну природу и связано с диссоциацией водорода из источников водорода - предположительно микрочастиц графита.
   
9. 
   При термоударном режиме АРНТ отжига, в алмазах происходит такая же трансформация структурных дефектов, что и при НРНТ отжиге.