CC BY
49При регистрации тепловых нейтронов конвертер с бЫ производит альфа-частицы и тритий с энергиями 2,07 и 2,73 МэВ.
Испытания показали, что алмазный детектор с конвертером может работать как радиометр тепловых нейтронов.
Гетероэпитаксиальные слои иридия продемонстрировали высокую адгезию к алмазу, чувствительные элементы детектора обладают высокой механической стойкостью, химической инертностью и могут работать в условиях очень высоких температур.
ЛИТЕРАТУРА
1. Левин В.Е. Ядерная физика и ядерные реакторы. 4-е Изд. М.: Атомиздат. 1979. 283 с.;
Levin V.E. Nuclear physics and nuclear reactors. 4-e Izd. M.: Atomizdat. 1979. 283 p. (in Russian).
2. Радиоактивные индикаторы в химии. Основы метода / Под ред. В.Б. Лукьянова. М.: Высш. шк. 1985. 287 с.; Radioactive indicators in chemistry. Basics of method. Ed. C.B. Lukyanov. M.: Vyssh. shkola. 1985. 287 p. (in Russian).
3. Marshall W., Lovesey S. Theory of thermal neutron scattering: the use of neutrons for the investigation of condensed matter. Oxford, Clarendon Press. 1971. 599 p.
4. Lattanzi D., Angelone M., Pillon M. // Fusion Engineering and Design. 2009. V. 84. N 7-11. P. 1156-1159.
Общероссийская общественная организация специалистов в области углерода и углеродных материалов «Углеродное общество»
УДК 548.4 53.086
Б.А. Кульницкий*,**, И.А. Пережогин*,**, В.Д. Бланк*,**
ПОЛИТИПЫ И ДВОЙНИКИ В СИСТЕМЕ АЛМАЗ - ЛОНСДЕЙЛИТ
(*Технологический институт сверхтвердых и новых углеродных материалов, ** Московский физико-технический институт (государственный университет)) e-mail: [email protected], [email protected], [email protected]
В условиях термобарической обработки из графита был получен порошок, содержащий алмаз и лонсдейлит (гексагональный алмаз). Структуру полученного материала исследовали методами высокоразрешающей электронной микроскопии и EELS. Обнаружены политипы в алмазе 4Н и 6Н. Исследованы некогерентные двойниковые границы в структуре алмаза. Фрагменты лонсдейлита, находящиеся по разные стороны от таких границ, могут рассматриваться как находящиеся по отношению друг к другу в двойниковой ориентировке. Плоскостями двойникования лонсдейлита могут являться плоскости (3-308)гпу или (-3304)гпу.
Ключевые слова: просвечивающий электронный микроскоп, алмаз, лонсдейлит, дефект упаковки, высокие давления
ВВЕДЕНИЕ
Лонсдейлит или гексагональный алмаз (одна из форм углерода) впервые был обнаружен в метеорите в 1899 г. [1], а расшифрован значительно позже. Банди и Каспер [2] получили лонсдей-лит в лабораторных условиях при статическом давлении, превышающем 13 ГПа при температуре выше 1000 °С. Предполагается, что лонсдейлит имеет высокие механические свойства, что привлекает внимание исследователей [3,4]. Но экспериментальных подтверждений этому пока нет, поскольку не удается получить лонсдейлит в чистом виде. В работе [5] считают, что это невозможно в принципе, и что лонсдейлит может существо-
вать только в виде дефектов и двойников в алмазе.
Сегодня лонсдейлит получают в условиях статического сжатия графита [б,7], термобарической обработки порошкового алмаза, графита и аморфной сажи [8-10], при взрыве графита [11,12], методом осаждения химического пара, из Сб0 [13], однако во всех этих случаях лонсдейлит не был единственным продуктом, полученным в результате обработки. Чаще всего в качестве исходного материала обычно используют графит. В [14] следы лонсдейлита были обнаружены в порошке алмаза в результате нагрева.
Кристаллическая структура лонсдейлита -гексагональная с параметрами а=2,52 А и с=4,12 А.
Отличие алмаза от лонсдейлита заключается в нарушении упаковки слоев. Кристаллическая решетка алмаза обозначается 3С и представляет собой последовательность слоев ЛБСЛБС, тогда как кристаллическая решетка лонсдейлита обозначается как 2Н и имеет последовательность слоев ЛБЛБ. Дефекты упаковки, возникающие в решетке алмаза в процессе роста, содержат прослойки лонсдейлита. Теоретическая плотность лонсдейлита такая же, как и у алмаза 3,51 г/см3. Поскольку лонсдейлит (как в полученный в лабораторных условиях, так и обнаруженный в метеоритах) присутствует обычно в малых количествах и всегда в окружении алмаза, остается много вопросов, касающихся его структурных особенностей.
В настоящей работе методами высокоразрешающей электронной микроскопии исследовали особенности структуры лонсдейлита, полученного при термобарической обработке графита.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
Поликристаллический порошок, содержащий наряду с алмазом еще и лонсдейлит, был синтезирован из натурального очищенного хорошо кристаллизованного графита (из Завальевского месторождения). Эксперименты проводили при давлении 7-9 ГПа и в области температур 11701470 К. Электронно-микроскопические исследования проводили на приборе ШМ-2010, оборудованном БББ8-приставкой.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Исследования показали, что в результате термобарической обработки был получен порошок, частицы которого в большинстве своем содержали алмаз. На рис. 1 показана частица алмаза, содержащего многочисленные дефекты, что свидетельствует о наличии фрагментов лонсдейлита в алмазе.
На рис. 2 показан фрагмент частицы, содержащей многочисленные дефекты в алмазе. Ось зоны [110]. Видны две системы плоскостей {111} с межплоскостным расстоянием 0,206 нм. Плоскости (1-11) и (1-1-1) алмаза составляют угол в 70°. Прерывистые черные линии показывают изменение структуры, вызванное дефектами упаковки. Кроме того, на рис. 2 обозначена звездочками некогерентная двойниковая граница. Отличие такой границы от традиционных двойников заключается в том, что нет четкой границы, а есть изломанные линии, обозначенные звездочками. Прямоугольниками обозначены фрагменты образца с решеткой лонсдейлита. Прямоугольные фрагменты лонсдейлита развернуты на угол в 70°. В такой конструкции они могли бы быть получены зеркальным отражением от плоскости, симметрично расположенной между соседними плоскостями {111} в кристалле алмаза. С учетом оси зоны [110] плоскостью зеркального отражения для лонсдей-лита могла являться плоскость (3-308) в гпу координатах (что то же, (101) в гцк-координатах) или (-3304), соответствующая (010) в гцк-координатах. Действительно, она принадлежит оси зоны [110]гпу и составляет углы в 35,30° и 35,25° с (001)гпу и (-3302)гпу, соответственно. Установленные плоскости двойникования (3-308)гпу и (-3304)гпу не являются характерными для кристаллов с гпу кристаллической решеткой. Нам известен только один пример существования такого двойникования: в магнии встречается плоскость двойникования {30-34}.
Рис. 1. Частица алмаза, содержащего многочисленные дефекты, что свидетельствует о наличии фрагментов лонсдейлита в алмазе
Fig. 1. The diamond particle containing numerous defects which testifies the presence of lonsdaleite fragments in this particle
Рис. 2. Структура алмаз-лонсдейлит. Ось зоны [110]. Видны две системы плоскостей {111} с межплоскостным расстоянием 0,206 нм. Прерывистые черные линии показывают изменение структуры, вызванное дефектами упаковки. Прямоугольниками обозначены фрагменты лонсдейлита. Звездочками отмечена некогерентная двойниковая граница Fig. 2. Diamond-lonsdaleite structure. Zone axis - [110]. Two systems of atomic planes {111} with interplanar distance of 0.206 nm can be seen. Black dashed lines indicate the change in the structure induced by the stacking faults. Rectangles show the fragments of lonsdaleite. Asterisks indicate the incoherent twin border
Иногда кроме отдельных слоев лонсдейли-та в упаковке алмаза встречались и довольно крупные фрагменты лонсдейлита. Кроме лонсдей-лита были обнаружены политипы 4Н (периодически повторяющиеся слои СВСА... принято называть 4Н политипами в алмазе) и бН (последовательность слоев АВСАСВ..). Известно, что в разных условиях получают разные политипы в алмазе. Образование политипов зависит от условий роста. В порошках, полученных взрывом, присутствуют, главным образом, бН политипы алмаза.
В процессе нагрева в кристалле возникают термоупругие волны и фононный газ. Известно, что плотность энергии фононного газа увеличивается с ростом температуры в биквадратичной пропорции. Частотный спектр ограничен частотой Дебая. Выше температуры Дебая в большинстве своем длины волн фононов не превышают нескольких межатомных расстояний, тогда как при низких температурах длины волн в сотни раз больше. В настоящей работе температура внутри камеры высокого давления была существенно меньше температуры Дебая, но следует учесть, что температура Дебая зависит от размера и формы частиц и уменьшается с уменьшением размера частиц. Поэтому появление 2Н, 4Н и бН политипов алмаза может быть связано с фононными волнами вблизи температуры Дебая, которые могут отличаться друг от друга и составлять несколько межплоскостных расстояний.
Механизм двойникования связан с деформацией элементарной кристаллической ячейки под влиянием внешней действующей силы, что приводит к изменению ориентации различных частей кристалла. В реальности развитие деформации возникает как появление и последовательное распространение слоев двойниковой компоненты в исходном кристалле. Двойникование можно рассматривать и как структурообразующую операцию. В этом случае слои, созданные в результате двойникования, могут образовать новую структуру.
При более высоких температурах 1470 К и выше лонсдейлит не образуется, т.е. происходит отжиг дефектов в сжатом состоянии. Эти данные не противоречат данным работы [14], где отжиг алмазного порошка в вакууме при температуре 1970 К приводил к частичным нарушениям в решетке алмаза, в результате чего структура сваливалась в разные стороны: более всего в графит, фрагментами - в лонсдейлит. Отжиг в сжатом состоянии убирает дефекты и создает чистый алмаз, тогда как отжиг несжатого алмаза, наоборот, создает в нем дефекты.
ВЫВОДЫ
Смесь кубического и гексагонального алмаза получена в результате термобарической обработки графита в условиях высоких давлений 713 ГПа и высоких температур 1170-1470 К. Гексагональный алмаз (лонсдейлит) представлял собой как прослойки внутри алмазных частиц, так и отдельные частицы размерами до десятков ангстрем. Структуру полученного материала исследовали методами высокоразрешающей электронной микроскопии и EELS. Обнаружены некогерентные двойниковые границы в структуре алмаза. Фрагменты лонсдейлита, находящиеся по разные стороны от таких границ, могут рассматриваться как находящиеся по отношению друг к другу в двойниковой ориентировке. Определена плоскость двойникования лонсдейлита.
В работе было использовано оборудование центра коллективного пользования «Исследования наноструктурных, углеродных и сверхтвердых материалов» (ЦКП ФГБНУ ТИСНУМ). Настоящая публикация подготовлена при поддержке Минобрнауки Российской Федерации, соглашение о предоставлении субсидии № 14.577.21.0090 (уникальный идентификатор прикладных научных исследований (проекта) RFMEFI57714X0090).
ЛИТЕРАТУРА
1. Foote A.E. // Am. J. Sci. 1891. V. 42. P. 413-417.
2. Bundy F.P., Kasper J.S. // J. Chem. Phys. 1967. V. 46. N 9.
P. 3437-3446.
3. Pan Z., Sun H, Zhang Y., Chen C. // Phys. Rev. Lett. 2009 V. 102. P. 055503
4. Quingkun L., Yi S., Zhiyuan L., Lu Z. // Scripta Mater. 2011. V. 65. P. 229-232.
5. Németh P., Garvie L.A.J., Aoki T., Dubrovinskaia N., Dubrovinsky L., Buseck P.R. // Nature Communications. 2014. doi:10.1038/ncomms6447.
6. Utsumi W., Yagi T. // Proc. Jpn. Acad. B. Phys. 1991. V. 67. P. 159-164.
7. Isobe F., Ohfuji H., Sumiya H., Irifune T. // J. Nanomater. 2013. P. 380136.
8. LeGuillou C., Brunet F., Irifune T., Ohfuji H., Rou-zaud J.N. // Carbon. 2007. V. 45. P. 636-648.
9. Denisov V.N., Mavrin B.N., Serebryanaya N.R., Dubits-kiy G.A., Aksenenkov V.V., Kirichenko A.N., Kuzmin N.V., Kulnitskiy B.A., Perezhogin I.A., Blank V.D. // Diam. Relat. Mater. 2011. V. 20. N 7. P. 951-953.
10. Kulnitskiy B.A., Perezhogin I.A., Dubitsky G.A., Blank V.D. // Acta Cryst. B. 2013. V. 69. Part 5. P. 474-479.
11. Erskine D.J., Nellis W.J. // Nature. 1991. V. 349. P. 317319.
12. Kurdyumov A.V., Britun V.F., Yarosh V.V., Danilen-ko A.I., Zelyavskii V.B. // J. Superhard Mater. 2012. V. 34. P. 19-27.
13. Dubrovinskaia N., Dubrovinsky L., Langenhorst F., Ja-cobsen S., Liebske C. // Diam. Relat. Mater. 2005. V. 14. P. 16-22.
14. Blank V.D., Kulnitskiy B.A., Nuzhdin A.A. // Diam. Relat. Mater. 2011. V. 20. N 10. P. 1315-1318.
