экспериментальное исследование процессов агрегации

RMS DPI 2012-1-159-0
http://www.minsoc.ru/2012-1-159-0
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ АГРЕГАЦИИ
ПРИМЕСНОГО АЗОТА В КРИСТАЛЛАХ СИНТЕТИЧЕСКОГО АЛМАЗА
Куприянов И.Н. (spectra@igm.nsc.ru), Хохряков А.Ф.
(khokhr@igm.nsc.ru), Калинин А.А. (aakalinin@ngs.ru), Пальянов Ю.Н.
(palyanov@igm.nsc.ru).
Западно-Сибирское отделение. ИГМ СО РАН
AN EXPERIMENTAL STUDY OF NITROGEN AGGREGATION PROCESSES
IN SYNTHETIC DIAMOND CRYSTALS
Kupriyanov I.N., Khokhryakov A.F., Kalinin A.A., Palyanov Yu.N.
West-Siberia branch. IGM SB RAS
В соответствии с общепринятой в настоящее время отжиговой моделью
образования сложных азотных центров в алмазе, исходной формой вхождения
примесного азота в решетку алмаза являются одиночные атомы замещения
(С-центры), из которых за счет термически активированной диффузии в
процессе мантийного отжига формируются различные агрегатные формы
дефектов, содержащие два (А-центры), три (N3-центры), четыре (В1-центры)
и, возможно, более (В2-центры, voidites) атомов азота (Evans, 1992). Данная
модель широко используется для оценки временных (геохронометр) и/или
температурных (геотермометр) условий нахождения природных алмазов в
мантии. Однако, необходимо отметить, что подавляющее большинство
экспериментальных работ по изучение процессов агрегации примесного азота
в алмазе проведено с использованием кристаллов синтетического алмаза,
полученных никель- и/или кобальтсодержащих металл-углеродных системах.
Как показано в ряде работ (Fisher et al., 1998; Kiflawi et al., 1998), присутствие
в алмазе примесей Ni и Co существенно сказывается на кинетике агрегации
азотных дефектов при отжиге. Влиянием примесей данных элементов, повидимому, и объясняется сильный разброс экспериментальных данных по
величине эффективной энергии активации (2.6-6 эВ), полученных в ранних
работах по отжигу синтетического алмазов. В связи с тем, что примеси Ni и
Co не характерны для природных алмазов, необходимым условием для
получения данных адекватных для описания процессов мантийного отжига
природных алмазов является отсутствие в исследуемых кристаллах алмаза
специфических дефектов, связанных с примесями переходных металлов.
В настоящей работе, в качестве ростовой системы потенциально
пригодной для получения кристаллов алмаза не содержащих примесей Ni и
Co, была выбрана система Fe-Cu-C. По имеющимся к настоящему времени
данным, Fe и Cu не входят в решетку алмаза с образованием точечных
примесных дефектов. В результате экспериментов по росту кристаллов алмаза
в системе Fe-Cu-C, получены качественные, не содержащие металлических
включений кристаллы. Исследование этих кристаллов методами оптической
429
спектроскопии показало, что доминирующей примесью в кристаллах является
азот в форме одиночных замещающих атомов с концентрацией 150-200 ррм.
Ни в спектрах оптического поглощения в видимом диапазоне, ни в спектрах
фотолюминесценции, каких либо оптических центров свидетельствующих о
возможном вхождении в кристаллы примесей Fe или Cu не установлено.
Для проведения экспериментов по отжигу из кристаллов, полученных в
системах Ni-Fe-C и Fe-Cu-C, изготовлены образцы позволяющие проводить
спектроскопические измерения, как в секторах роста октаэдра, так и секторах
роста куба. Термобарический отжиг образцов проведен на беспрессовой
установке высокого давления типа «разрезная сфера» (БАРС) при
стабилизирующем давлении 7.0-7.5 ГПа в диапазоне температур 1400-2200 С
с фиксированной длительностью 2 часа. Исследование кристаллов алмаза до и
после термобарического отжига проведено с использованием комплекса
методов оптической спектроскопии. Анализ полученных данных показал, что
процесс агрегации примесного азота в секторах роста октаэдра в кристаллах
из системы Fe-Cu-C характеризуется существенно более низкими скоростями,
чем в аналогичных секторах в кристаллах из системы Ni-Fe-C, но при этом
имеет несколько более высокую скорость, чем секторах роста куба. В
предположении о том, что кинетика агрегации соответствует второму
порядку, получены следующие значения для эффективной энергии активации:
Ni-Fe-C, сектор {111} – 4.5 эВ; Fe-Cu-C, сектор {111} – 5.5 эВ; Ni-Fe-C,
сектор {100} – 6.0 эВ.
Таким
образом,
результаты
проведенных
исследований
свидетельствуют о том, что процесс агрегации примесного азота в алмазе
крайне чувствителен к характеристикам дефектно-примесной структуры
исходных
кристаллов.
Выявление
роли
различных структурных
несовершенств в формировании агрегатных форм азотных дефектов в алмазе
является ключевым фактором для построения модели адекватно
описывающей процессы мантийного отжига природных алмазов.
Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (проект 12-0500923).
Evans T. (1992). In: The properties of natural and synthetic diamond (J.E. Field, ed.)
Academic Press, London, pp.259-290.
Fisher D., Lawson S.C. (1998). Diamond Relat. Mater. 7, 322.
Kiflawi I., Kanda H., Mainwood A. (1998). Diamond Relat. Mater. 7, 327.
430