CC BY
19КРАТКИЕ СООБЩЕНИЯ BRIEF REPORTS
УДК 548.3:621.382 DOI: 10.24151/1561-5405-2021-26-6-580-583
Энергия связи между атомами кубического углерода
С.А. Неустроев
Национальный исследовательский университет «МИЭТ», г. Москва, Россия
Doloto@list.ru
Энергетический спектр газовых частиц плазмы достаточно широк - от долей до десятков электронвольт. Частицы с необходимыми энергетическими параметрами, участвующие в синтезе кубического углерода с-С, составляют небольшой процент. Внешнее энергетическое воздействие может перевести инертный атом углерода в активное состояние, а также изменить его электронную конфигурацию. Энергия связи между атомами в кубическом углероде зависит от взаимодействия источников энергии. В работе в результате расчета получено значение энергии связи, которое сопоставлено со значением энергии связи между атомами углерода в этане. Отмечена целесообразность внешнего источника - генератора активированных атомов углерода. Установлено, что добавление в реактор ускоренных атомов углерода с энергией 9,687 эВ может повысить производительность выращивания пленок, покрытий и объемных кристаллов.
Ключевые слова: атомы углерода; источники энергии; активация; кубический углерод
Для цитирования: Неустроев С.А. Энергия связи между атомами кубического углерода // Изв. вузов. Электроника. 2021. Т. 26. № 6. С. 580-583. Б01: https://doi.org/ 10.24151/15615405-2021-26-6-580-583
Binding Energy of Cubic Carbon Atoms
S.A. Neoustroev
National Research University of Electronic Technology, Moscow, Russia Doloto@list.ru
Abstract: Energy spectrum of gas particles in plasma is broad, ranging from fractions to 10s of electron volts. Proportion of particles with required energetic parameters, participating in cubic carbon c-C synthesis, is small. External energy deposition can transfer an inert carbon atom to active state and change its electronic configuration. Binding energy of c-C atom depends on energy sources interaction. In this work, the calculations found the binding energy value that was compared with value of energy of the bond
© С.А. Неустроев, 2021
between the carbon atoms in ethane. The advisability of external source, activated carbon atoms generator, is marked. It has been established that by adding accelerated carbon atoms with energy of 9,687 eV into reactor it is possible to increase productivity of films, coatings and bulk crystals growth.
Keywords: carbon atoms; energy source; activation; cubic carbon; c-C
For citation: Neoustroev S.A. Binding energy of cubic carbon atoms. Proc. Univ. Electronics, 2021, vol. 26, no. 6, pp. 580-583. DOI: https://doi.org/ 10.24151/1561-5405-2021-26-6-580-583
В природных условиях кубический углерод c-C (кубическая разновидность алмаза) образуется под воздействием высокой температуры и давления (Т > 4000 К, Р > 125 кбар). Его образование - это результат сближения возбужденных атомов углерода с насыщенной валентностью. Сближение атомов и их возбуждение реализуются в производстве наноалмазов при «взрыве» [1], импульсном разряде, разряде в газе пониженного давления [2, 3]. В ходе каждого процесса образуется плазма, в объеме которой накапливаются возбужденные и ускоренные атомы углерода, участвующие в реакции синтеза с-С. Известно, что энергетический спектр газовых частиц плазмы широкий - от долей до десятков электронвольт. Частицы с необходимыми энергетическими параметрами, участвующие в синтезе с-С, составляют небольшой процент. Рабочие параметры определяются условиями ведения процесса: используют различные виды энергии, постоянный и переменный ток (ВЧ- и СВЧ-диапазонов), подбирают состав исходного сырья, содержащего углерод, давление, температуру, конструкцию реактора и т.д. Под влиянием внешнего энергетического воздействия (удара ускоренной частицей, электромагнитного поля) инертный атом углерода переходит в активное состояние, а также изменяется его электронная конфигурация. Сближение двух атомов углерода может сопровождаться образованием кова-лентной связи, что является первичным актом синтеза с-С.
Определим последовательность внешнего воздействия на электронную конфигурацию атома углерода с использованием энергетической диаграммы Гротриана [4]. Из всего спектра энергетических состояний углерода взяты пять уровней: CII, (CII)*, CIII, (CIII)* и CIV, которые относятся к атомам с пентакратной мультиплетностью (природная форма с четырьмя валентностями). Эти состояния и конфигурация орбиталей приведены в таблице в соответствии с последовательностью стадий достижения реакции синтеза с-С.
Состояние и энергия переходов атомов углерода при образовании ячейки с-С State and transition energy of carbon atoms during the formations of the с-С cell
Состояние атома Конфигурация Энергия, эВ Примечание
орбиталей
Исходное (CII)* 4,183 Метастабильность
При подводе энергии (СП)* ^ CIII - 4,588 Прямой переход
Промежуточное CIII 55°2 8,771 -
При подводе энергии CIII ^ (CIII)* - 1,063 Прямой переход
Промежуточное (CIII)* 3P0,1,2nd 9,834 Источник энергии
Рекомбинация (CIII)*nd ^ (CIII)*ns - 0,147 Непрямой переход
Промежуточное CIV 3Po,1,2ns 0,158740776
Примечание. Энергетическое состояние атома CIV - участника связи с-С - составляет 9,228388836 эВ.
Валентности исходного состояния атома углерода насыщены и обозначены (CII)*. Его электронная конфигурация 2s2p3(5S°2), энергия Е = 4,183 эВ. Состояние атома (CII)* характеризуется сохранением конфигурации и инертности. Инертность атома сохраняется и после сообщения ему энергии 4,588 эВ. Это состояние CIII c конфигурацией и энергией Е = 8,771 эВ. Последующий подвод энергии переводит атом в состояние (CIII)* с энергией 9,834 эВ и конфигурацией 3P00)1,2ftd. Оба перехода прямые: (CII)* ^ CIII с энергией 4,588 эВ и CIII ^ (CIII)* с энергией 1,063 эВ.
Непрямые переходы происходят с дополнительными затратами энергии. Непрямой переход из состояния (CIII)* в состояние CIV происходит с затратой энергии 0,147 • 1,5 = 0,2205 эВ. При этом наблюдается изменение конфигурации до нормальных условий 3P°0,1,2np и одновременно атому CIV сообщается активное состояние с энергией 9,687 эВ. Оно может оказаться исходным для реакции синтеза с-С. Непрямой переход из состояния CIV в состояние CII также происходит с дополнительной затратой энергии: 0,158740776 • 1,5 = 0,238111164 эВ.
Суммарные затраты энергии на непрямые переходы достигают 0,458611164 эВ, и энергия состояния CIV снижается до 9,228388836 эВ. Пара атомов, находящихся в состоянии CTV с энергией 9,228388836 эВ, при взаимодействии может образовать связь С - С, прочность которой равна: 9,228388836 эВ • 2 = 18,45677767 эВ, т.е. 1780,802194 кДж/моль. Сопоставляя это значение со значением энергии связи между атомами углерода в этане, равным 1696,31584 кДж/моль [5], можно видеть, что расхождение между этими значениями невелико -менее 5 %.
Частота реакции образования связи между двумя атомами углерода, находящимися в состоянии CTV, ограничивается их низкой концентрацией в плазме, непродолжительным временем жизни и нечастым взаимодействием. Добавление в реактор ускоренных атомов углерода в состоянии CTV с энергией 9,687 эВ способствует повышению производительности выращивания пленок, покрытий и объемных кристаллов. Их генерация может осуществляться с использованием внешнего источника.
Литература
1. Сакович Г.В., Жарков А.С., Петров Е.А. Результаты исследований физико-химических процессов детонационного синтеза и применения наноалмазов // Российские нанотехнологии. 2013. Т. 8. № 9-10. С. 11-20.
2. Твердотельный автоэмиссионный диод / В.А Беспалов, Э.А. Ильичев, А.Е. Кулешов и др. // Письма в ЖТФ. 2013. Т. 39. № 4. С. 46-52.
3. Исследование технологий формирования наноструктурированных эмиссионных сред для сильноточной радиочастотной электроники / В.А Беспалов, Э.А. Ильичев, Е.П. Кириленко и др. // Изв. вузов. Электроника. 2014. № 4 (108). С. 27-35.
4. РадцигА.А. Спектры атомов и молекул // Физические величины: справочник / под ред. И.С. Григорьева, Е.З. Мейлихова. М.: Энергоатомиздат, 1991. С. 794-858.
5. 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 11.03.2021 г.; после доработки 30.08.2021 г.; принято к публикации 11.10.2021 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. Sakovich G.V., Zharkov A.S., Petrov E.A. Results of research into the physicochemical processes of detonation synthesis and nanodiamond applications. Nanotechnol. Russia, 2013, vol. 8, iss. 9-10, pp. 581-591. DOI: https://doi.org10.1134/S1995078013050121
2. Bespalov V.A., Ilichev E.A., Kuleshov A.E., Migunov D.M., Nabiev R.M., Petrukhin G.N., Rychkov G.S., Shcherbakhin Yu.V. Solid state auto-emission diode. Pis'ma v ZhTF = Technical Physics Letters, 2013, vol. 39, no. 4, pp. 46-52. (In Russian).
