CC BY
3УДК [546.26-162:546.26:548.3]:621:382
DOI: 10.24151/1561-5405-2021-26-5-432-434
Энергия активизации атомов углерода в алмазе
С.А. Неустроев
Национальный исследовательский университет «МИЭТ», г. Москва, Россия
doloto@list.ru
Активное состояние достигается при активизации атомов углерода с использованием плазмы в жестких энергетических условиях. Доля частиц с энергией, достаточной для активизации атомов углерода, составляет небольшой процент. В работе рассмотрен результат подвода энергии к атому углерода, находящемуся в инертном состоянии. Показано, что последующие возбуждения и рекомбинация переводят атомы углерода в активное состояние с образованием ковалентных связей с другими атомами кристалла. Выявлены состояния атомов углерода и его последующих переходов в активное состояние. В результате расчета получено значение энергии связи атомов углерода, равное 17,581079 эВ.
Ключевые слова: алмаз; энергия состояний атомов углерода; активизация атомов углерода в плазме
Для цитирования: Неустроев С.А. Энергия активизации атомов углерода в алмазе // Изв. вузов. Электроника. 2021. Т. 26. № 5. С. 432-434. DOI: https://doi.org/ 10.24151/1561-54052021-26-5-432-434
Carbon Atoms Activization Energy in Diamond
S.A. Neoustroev
National Research University of Electronic Technology, Moscow, Russia doloto@list.ru
Abstract: The active state of carbon atoms is achieved in plasma at rigid energetic conditions. Proportion of particles with enough energy to activate carbon atoms is small. This work considers the result of energy input to carbon atom, which was in inert state. It was shown that subsequent excitement and recombination activated carbon atoms. Active atoms formed covalent bonds with other atoms in crystal diamond. The states of carbon atoms and its subsequent transitions to the active state were revealed. The calculations have found that carbon atoms activization energy value is equal to 17,581079 eV.
Keywords: diamond; energy states of carbon atoms; carbon atoms activization in plasma
For citation: Neoustroev S.A. Carbon atoms activization energy in diamond. Proc. Univ. Electronics, 2021, vol. 26, no. 5, pp. 432-434. DOI: https://doi.org/ 10.24151/1561-5405-2021-26-5432-434
Алмаз является перспективным материалом для микроэлектроники, так как характеризуется высокой теплопроводностью и радиационной стойкостью. Сингония алмаза - регулярный набор атомов углерода, образующих между собой прочные ковалентные связи. Активное со-
© С.А. Неустроев, 2021
стояние атомов углерода достигается в жестких энергетических условиях. Известны энергетические переходы атома углерода в активное состояние (состояние активизации) с заданными параметрами с использованием плазмы, возникающей при «взрыве», импульсном разряде, разряде в газе пониженного давления. Энергетический спектр частиц плазмы широк - от долей до десятков электронвольт. Доля частиц с энергией, достаточной для активизации атомов углерода, составляет менее 0,01 %. Существуют сложности в синтезе алмаза в виде крупногабаритных кристаллов. Уменьшение затрат энергии, а также увеличение времени процесса активизации может решить проблему синтеза алмаза.
Цель настоящей работы - расчет энергии активизации атомов углерода и сопоставление ее с известными значениями.
Полная информация о состояниях атомов углерода пентакратной мультиплетности и изменении их энергии приведена на энергетической диаграмме Гротриана [1]. Однако энергия активизации атомов углерода на данной диаграмме в явном виде не представлена. Рассмотрим последовательность выявления активного состояния атомов углерода, участвующих в образовании ковалентных связей, в плазме с использованием структуры этана в качестве модели [2]. При этом подвод энергии к атомам углерода осуществляется с учетом первого правила Гунда [3].
В образовании связей участвуют все валентности атомов. Опишем энергетические переходы атома углерода в активное состояние с заданными параметрами (активизацию) с использованием энергетической диаграммы Гротриана. Исходное состояние атома с электронной конфигурацией орбитали 5802 и энергией 8,771 эВ характеризуется инертностью. Значения энергии переходов при активизации атомов углерода следующие:
Состояние S 2 np 3P°0,1,2 ns 3P°0,1,2 nd Рекомбинация 3P°0,1,2 ns
Энергия, эВ 8,771 1,063 9,834 0,147 9,687
Подвод энергии 1,063 эВ к атому, находящемуся в состоянии 5802 np, переводит его в состояние 3Р°0,1,2 nd с энергией 9,834 эВ. Последующая рекомбинация этого состояния с затратой энергии 0,147 эВ переводит атом углерода в активное состояние 3Р°°,1,2 ^ с энергией 9,687 эВ. Реакция образования связи между двумя атомами углерода происходит с затратой энергии каждым из них, равной 1280,33 см-1 и также 1658,12 см-1, и достигает значения 9,135321545 эВ.
Образование связи между парой атомов сопровождается выделением энергии 1 эВ. Учет этого обстоятельства уменьшает расход энергии: 9,135321545 эВ - 0,5 эВ = 8,635321545 эВ. Сопоставим это значение энергии с половиной значения энергии связи, равной 8,790539501 эВ [4] (значение энергии связи атомов углерода составляет 17,581079 эВ). Разность А = 0,155217956 эВ, а относительное расхождение 5 = 0,155217956 эВ / 8,790539501 эВ = 0,017657387, т.е. менее 1,8 %.
Можно отметить, что в работе [1] значения энергии состояний атомов углерода содержат три цифры после запятой, а остальные опускаются из-за малости. Запись состояния энергии атома углерода, равной 9,687 эВ, может быть дополнена значением энергии малости, которая равна 7,810486359-10-4 эВ.
В результате проделанной работы выявлены состояния атома углерода и его энергетических переходов в активное состояние для синтеза алмаза.
Литература
1. Радциг А.А. Спектры атомов и молекул // Физические величины: справочник / под ред. И.С. Григорьева, Е.З. Мейлихова. М.: Энергоатомиздат, 1991. С. 801.
2. КрасновК.С. Молекулы и химическая связь. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Высшая школа, 1984. 295 с.
3. ЭткинсП.У. Кванты: Справочник концепций / пер. с англ. Е.Л. Ядровского; под ред. Е.Л. Розенберга. М.: Мир, 1977. 496 с.
4. Неустроев С.А. Этан как модель энергетического состояния атомов в кристалле кубического углерода // Изв. вузов. Электроника. 2016. Т. 21. № 1. С. 86-87.
Поступило в редакцию 26.02.2021 г.; после доработки 21.04. 2021 г.; принято к публикации 08.07.2021 г.
Неустроев Степан Архипович - доктор технических наук, профессор-консультант Института перспективных материалов и технологий Национального исследовательского университета «МИЭТ» (Россия, 124498, г. Москва, г. Зеленоград, пл. Шокина, 1), doloto@list.ru
References
1. Radzig A. Atomic optical spectra. Handbook of Physical Quantities, eds. I.S. Grigoriev, E.Z. Meilikhov. Boca Raton, FL, CRC Press, 1997, p. 801.
2. Krasnov K.S. Molecules and chemical binding. 2nd ed., rev. and upd. Moscow, Vysshaya shkola Publ., 1984. 295 p. (In Russian).
3. Atkins P.W. Quanta: a handbook of concepts. Oxford, Clarendon Press, 1974. 309 p.
4. Neoustroev S.A. Ethane as model of energetic state of atoms in cubic carbon crystal. Izv. vuzov. Elektronika = Proc. Univ. Electronics, 2016, vol. 21, no. 1, pp. 86-87. (In Russian).
Received 26.02.2021; Revised 21.04.2021; Accepted 08.07.2021.
Information about the author:
Stepan A. Neoustroev - Dr. Sci. (Eng.), Consulting Prof. of the Institute of Perspective Materials and Technologies, National Research University of Electronic Technology (Russia, 124498, Moscow, Zelenograd, Shokin sq., 1), doloto@list.ru
Вниманию читателей журнала «Известия высших учебных заведений. Электроника»
Подписку на электронную версию журнала можно оформить на сайтах:
• Научной электронной библиотеки: www.elibrary.ru
• ООО «Агентство «Книга-Сервис»: www.rucont.ru;www.akc.ru;
www.pressa-rf.ru
• ООО «УП Урал-Пресс»: www.delpress.ru
• ООО «ИВИС»: www.ivis.ru
