Los diamantes son piedras preciosas preciosas que, gracias a su brillo y transparencia, quedan muy bien en joyería, pero los diamantes en bruto son mucho más interesantes desde el punto de vista científico. Las propiedades físicas y químicas del diamante lo han convertido en un componente crítico para muchos dispositivos en óptica y electrónica.

Una de las áreas prometedoras de investigación hacia las aplicaciones tecnológicas del diamante es la metalización de la superficie del diamante, que se utiliza para darle a la superficie del diamante nuevas características como una conductividad térmica superior, buena estabilidad térmica, humectabilidad mejorada y sus propiedades físicas y químicas originales.

Un grupo de científicos de Skoltech, el Instituto de Física Lebedev de la Academia de Ciencias de Rusia y otras organizaciones científicas líderes han encontrado una manera de mejorar la adhesión del diamante (el vínculo entre el diamante y el metal de transición) utilizando niobio. El estudio fue publicado en el Journal of Alloys and Compounds .

"El diamante tiene dos limitaciones relacionadas con la síntesis de sustratos de diamante de gran tamaño y la mala adhesión de los contactos metálicos a la superficie del diamante. Por ejemplo, cuando trabajamos en detectores de radiación ionizante y aplicamos contactos hechos de oro y otros materiales, la adhesión de tales contactos con el diamante eran muy pobres. En ese momento, nos preguntamos cómo podríamos superar una adhesión tan pobre", explicó Stanislav Evlashin, coautor del estudio y profesor asistente en el Centro de Materiales de Skoltech.

Una de las formas más efectivas de metalizar diamantes es sinterizándolos con metales como titanio, cromo, tantalio, circonio y otros. Cuando interactúan con el carbono, se forma una capa de carburo metálico. Los autores del estudio eligieron el niobio debido a su capacidad para formar películas químicamente estables de carburos de niobio en la superficie del diamante.

"Intentamos crear un superconductor en la superficie del diamante y nos dimos cuenta de que si depositamos niobio sobre él y luego lo recocemos, durante el recocido se producen las siguientes transformaciones de fase:la película de niobio, después de calentarla, se convierte en el compuesto Nb₂C, y después de calentarla más a 1200 grados, a NbC", continúa Stanislav Evlashin.

"Los cálculos teóricos de la red constante del carburo de niobio dependiendo de la concentración de defectos de carbono (a menudo en el experimento hay una deficiencia de carbono) han demostrado que el método utilizado para la síntesis de carburo de niobio en diamante permite obtener carburo de niobio de alta calidad con una parámetro de red cercano al material libre de defectos", afirmó Alexander Kvashnin, coautor del estudio y profesor del Centro de Transición Energética.

"Los cálculos de las características superconductoras del carburo de niobio mostraron una transición superconductora a una temperatura de 19,4 K, que resultó ser cercana al valor medido experimentalmente. Los resultados también indican la alta calidad de la película obtenida experimentalmente."

"En particular, la baja concentración de defectos en la película de carburo de niobio obtenida conduce a valores de difusión de electrones suficientemente altos, en comparación con otras aleaciones basadas en niobio. Y esto, junto con las características superconductoras observadas, es de interés práctico para los dispositivos de detección cuántica. " añadió Anna Kolbatova, coautora del estudio e investigadora científica de la Universidad Estatal Pedagógica de Moscú.

Los investigadores demostraron que la capa de carburo de niobio obtenida tiene características superconductoras. Si esta película se aplica a la superficie del diamante, será posible crear detectores supersensibles debido a su alta conductividad térmica. La alta conductividad térmica del diamante ayudará a detectar señales; esto sucedería mucho más rápido que con otros materiales.

El estudio involucró dos proyectos. El primer proyecto, "Investigación del efecto de los elementos de aleación sobre las características electroquímicas de materiales de carbono nanoestructurados para la creación de fuentes de corriente prometedoras", tiene como objetivo obtener resultados que puedan utilizarse para crear fuentes electroquímicas de nueva generación. El segundo proyecto, "Una nueva generación de detectores cuánticos y fuentes de fotón único basadas en estructuras bidimensionales de Van der Waals", pretende desarrollar dispositivos de detección cuántica que deberían superar a los tradicionales.

Entre los que también contribuyen al estudio se encuentran Julia Bondareva, Fedor Fedorov, Alexander Egorov y Nikita Matsokin.

Más información: REAL ACADEMIA DE BELLAS ARTES. Khmelnitsky et al, Síntesis y caracterización de películas delgadas de carburo de niobio sobre superficies de diamantes para aplicaciones superconductoras, Journal of Alloys and Compounds (2023). DOI:10.1016/j.jallcom.2023.173266.

Proporcionado por el Instituto de Ciencia y Tecnología de Skolkovo