Физики обесцветили искусственный алмаз при помощи света

Последние десятилетия синтетические алмазы стали отличной альтернативой природным — особенно в области оптоэлектроники и спинтроники. Это связано прежде всего с тем, что свойства синтетических кристаллов можно очень широко изменять, например, сделать их практически идеально чистыми. В этом случае в них предельно мало самых простых (одноатомных и двухатомных) оптически активных центров из атомов азота, в том числе центров окраски. Кроме того, можно изменять их структуру и цвет сколько угодно и там, где это нужно, например, при помощи лазера.

Иногда бывает необходимо выполнить обратную задачу — избавиться от центров окраски видимого диапазона и, таким образом, обесцветить кристалл. Сотрудники Физического института имени П.Н. Лебедева РАН (Москва), ООО «ВЕЛМАН» (Новосибирск), Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова (Москва) и «ИТЭР-Центр» (Москва) продемонстрировали, как можно это сделать.

«Мы воздействовали лазерными импульсами на алмазы красного цвета торговой марки Imperial Red Diamonds, лабораторно выращенных под действием высоких температур и давления — так называемые HPHT-алмазы. Импульсы были очень короткими — всего триллионная доля секунды — и с ультрамалой энергией, но облучали кристалл с большой частотой повторения, так что за несколько минут маленькая точка претерпевала десятки миллионов бережных лазерных воздействий», — объясняет руководитель проекта, поддержанного грантом РНФ, Сергей Кудряшов, доктор физико-математических наук, ведущий научный сотрудник и заведующий Лабораторией лазерной нанофизики и биомедицины ФИАН.

Обработка вызывала точечное, хорошо заметное невооруженным взглядом обесцвечивание. Исследователи проверили свойства соответствующих участков по тому, как они взаимодействуют с разным светом — от ультрафиолетового до среднего инфракрасного. Анализ полученных в результате спектров показал, что обработанные участки существенно хуже поглощают излучение видимого и среднего инфракрасного диапазона, которое обычно «съедают» оптически активные одноатомные и двухатомные азотные центры, а значит, последних стало намного меньше.

Поскольку воздействие оказалось успешным, авторы задались фундаментальным вопросом: за счет каких процессов удалось избавиться от оптически активных центров. Поскольку лазерное воздействие локальное, но довольно интенсивное, можно предположить два сценария. С одной стороны, центры могли разрушиться (диссоциировать) непосредственно под действием лазерного излучения. С другой стороны, они могли соединиться друг с другом (агрегировать) с участием лазерно-генерированных дефектов углеродной решетки алмаза. В обоих случаях оптические свойства алмазов меняются.

Дополнительно исследовались спектральные особенности фотолюминесценции, а именно то, как светились обработанные участки в ответ на воздействие излучением зеленой и синей части спектра. Эксперименты показали, что увеличилось содержание более крупных азотных центров окраски, обладающих поглощением в невидимой для глаза ультрафиолетовой части спектра. При этом уменьшались концентрации одно- и двухатомных азотных центров, которые поглощают во всей видимой области спектра.

Процесс исследования алмазов. Источник: Сергей Кудряшов

Ученые предположили, что с каждым импульсом происходило незначительное локальное повреждение алмазной структуры. Его причина заключается в ионизации атомов углерода и их смещении в поры решетки с образованием вакансий (пустот) и междоузлий. Поскольку структурно-чувствительная спектроскопия комбинационного рассеяния света не показала даже незначительных изменений в углеродной решетке, такие дефекты решетки не накапливаются, а активно взаимодействуют с азотными центрами и присоединяются к ним или же вызывают их агрегацию с соседними центрами. Этот новый процесс является обратным по отношению к ранее обнаруженному этими же исследователями распаду азотных центров под действием лазерно-генерированных вакансий в природных алмазах.

«Наше исследование продемонстрировало, как с помощью лазеров можно изменить окраску, а значит, и свойства искусственного алмаза. Варьируя режимы облучения, мы можем изменить как цвет всего камня, так и создать незаметные глазу, но фиксируемые приборами микро-кодировки внутри алмаза. Это очень важно для разработки инновационных способов контроля за оборотом искусственных алмазов», — рассказывает Сергей Кудряшов.

В сотрудничестве с соавтором статьи Виктором Винсом, доктором физико-математических наук, сотрудником ООО «ВЕЛМАН» исследователи планируют инновационные разработки на базе разработанной для синтетических алмазов технологии.