Поддержана заявка на финансирование

Проект нашего коллектива "Исследование новых способов синтеза наноалмазов без приложения давления" был поддержан Российским научным фондом по результатам конкурса 2024 года «Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых»

Алмазные частицы нанометрового размера, или наноалмазы, привлекают внимание различных исследователей благодаря своим уникальным свойствам, перспективным в различных сферах промышленности, квантовых вычислений, биологических и экологических областях. В отличии от других углеродных наноструктур наноалмазы можно масштабировать от практически 0D до 3D частиц с варьируемой функционализацией поверхности, что позволяет контролировать их физико-химические характеристики в широких пределах. Наличие эффективных методов синтеза наноалмазов является критически важной задачей для их широкого применения. В настоящее время наноалмазы получают в основном с помощью детонации или измельчения макроскопического алмаза. Эти стандартные методы имеют общие недостатки, связанные с плохим контролем размера, формы наноалмазов и степени их загрязнения. Однако существуют и другие методы получения алмазной фазы из sp²-гибридизованного углерода, например, в результате облучения графена ионами или же в результате химически индуцированного фазового перехода. Тем не менее механизмы, лежащие в основе данных подходов, пока что изучены недостаточно. Так, например, появление наноалмазов в многослойном графене после облучения высокоэнергетическими ионами на первый взгляд противоречит термодинамическим оценкам. Поэтому детальное исследование условий и механизмов такого фотоиндуцированного фазового превращения с помощью современных методов компьютерного моделирования является новой и актуальной задачей. Другими важными задачами проекта являются изучение формирования кластеров алмазов нанометрового размера в результате химически индуцированного фазового перехода, а также контролируемый рост наноалмазов с использованием 2D алмаза как затравки. Этот процесс может позволить сформировать бездефектную алмазную структуру с заранее заданной поверхностью. С другой стороны, запланированные исследования в проекте направлены и на изучение возможности контролируемого внесения дефектов в алмаз, необходимых для реализации однофотонной эмиссии и применения таких наноструктур в квантовых компьютерах и других областях..

Возглавляет проект к.ф.-м.н. Ерохин Сергей Владимирович.

Формирование фаз алмаза и/или лонсдейлита из мультиграфена под действием наноиндентора

Статья опубликована в Письмах в ЖЭТФ

В данной работе мы изучили механизм образования алмаза в графене в процессе его индентирования. Мы применяли потенциалы машинного обучения, чтобы описать взаимодействия между атомами в системе.

Наше моделирование показало, что первоначально сформированное алмазное ядро возникает вблизи индентора и не проникает на всю толщину пленки графена. Структура алмазного зародыша сильно зависит от схемы наложения слоев графена и размера индентора.

Мы изучили два конкретных типа наложения слоев графена: ABC и AA'. Эти упаковки могут потенциально привести к образованию алмаза. Мы предположили, что эти упаковки будут образовываться спонтанно из-за смещения слоев при индентировании.

Для упаковки ABC сначала появился кубический алмазный зародыш с осью вращения третьего порядка, окруженный областями гексагонального алмаза (лонсдейлита). По мере продвижения индентирования росли как кубические алмазные, так и лонсдейлитовые области, см. рисунок (а).

a,б) атомная структура многослойного графена с упаковкой ABC (а) и AA' (б) при индентировании со сформированной алмазной областью. Сначала продемонстрирован срез структуры, вид сбоку. Затем вид плёнки сверху, где красными линиями показана область среза. По атомному окружению проведён анализ структуры, и синим цветом выделены атомы, принадлежащие структуре кубического алмаза, а оранжевым – атомы гексагонального алмаза; в) зависимость давления фазового перехода для случая индентора бесконечного размера (плоскость) от числа слоёв в графене

Упаковка AA' приводит к другим результатам. Сначала появлялся слой гексагонального алмаза с зеркальной симметрией, за которым следовало образование вокруг него кубических алмазных областей, см. рисунок (б). Толщина слоя лонсдейлита оставалась постоянной при увеличении давления индентирования, а доля кубического алмаза значительно увеличивалась. При малых размерах индентора гексагональный алмаз действовал как предшественник дефекта двойникования в кубических алмазных областях, в конечном итоге превращаясь в кубическую фазу алмаза.

Еще одним важным открытием стало значительно более низкое давление, необходимое для фазового перехода от многослойного графена со структурой AA' в лонсдейлит по сравнению с многослойным графеном со структурой ABC, трансформирующимся в кубический алмаз для тонких пленок, индентированных плоской поверхностью (представляющей предел бесконечно большого индентора), см. рисунок (в).

Мы показали, что это различие возникает из-за перераспределения электронов на поверхности лонсдейлита, что приводит к более низкой энергии поверхности гексагонального алмаза по сравнению с кубическим алмазом.

В настоящее время ученые владеют методами измерения рамановских спектров во время процесса индентирования с использованием оптически прозрачного объектива индентора. Спектры кубического и гексагонального алмаза можно различить. Следовательно, существует возможность экспериментальной проверки наших предсказаний. Мы надеемся, что это будет реализовано это в ближайшем будущем.

Новый сверхтонкая пленка GdAlSi

Статья опубликована в JACS.

В данной работе изучена сверхтонкая пленка со структурой отличающейся от объемной формы GdAlSi. .

В традиционной, объемной форме GdAlSi магнитные моменты отдельных атомов не выстроены в одном направлении. Однако в соответствии с теоретическими предсказаниями, слоистая структура, с графеноподобной структурой, будет иметь ферромагнитные свойства. Этот тип магнетизма возникает, когда крошечные магнитные моменты отдельных атомов внутри материала выстраиваются в одном направлении, создавая коллективный магнитный момент.

Теоретические основы этого феномена заключаются в трансформации электронных орбиталей атомов GdAlSi. В объемной форме расположение атомов позволяет более симметрично распределять электроны, что приводит к исчезновению индивидуальных магнитных моментов. Однако слоистая структура нарушает эту симметрию. Теоретические модели предсказывают, что специфическое расположение атомов в решетке, напоминающей пчелиные соты, приводит к предпочтительному выравниванию электронных орбиталей, что приводит к появлению магнитного момента в материале и возникновению ферромагнетизма.

Экспериментальные исследования проведенные в НИЦ Курчатовский институт, совместно с нашими теоретическими предсказаниями позволили подробно изучить атомную структур и магнитные свойства этого низкоразмерного соединения.