2024年3月,俄羅斯科學院列別捷夫物理研究所(Lebedev Physical Institute of the Russian Academy of Sciences)、斯科爾科沃科學技術研究院(Skoltech)等聯合研究團隊發表一項研究,通過金屬鈮使金剛石金屬化,來提高金剛石和過渡金屬之間的附著力。當鈮在金剛石表面形成碳化鈮膜后,具有超導特性。這種金剛石膜在未來科學技術領域,尤其是單光子探測器方面很有前景,將可能制備出高熱導率的超靈敏量子檢測設備。
相關研究成果以“Synthesis and characterization of niobium carbide thin films on diamond surface for superconductive application”為題發表于Journal of Alloys and Compounds期刊上。
金剛石,兩個局限性
金剛石不僅可以閃耀的珠寶,在工業領域也大有可為。
金剛石由于具有極高的硬度、良好的耐磨性和光電熱等特性,廣泛應用于磨料磨具、光學器件、新能源汽車和電子封裝等領域。
“不過,金剛石有兩個局限性,一是大尺寸金剛石襯底的合成,二是金屬觸點與金剛石表面的附著力差”,研究人員Stanislav Evlashin在媒體聲明中說到,“當我們研究電離輻射探測器,用金或者其他材料制成觸點時,這種觸點與金剛石的附著力非常差。當時,我們就想知道如何克服這種附著力差的問題”。
在實際應用中,由于金剛石表面惰性強,與很多物質結合困難,制約了其應用與推廣。金剛石表面金屬化則是最有效方法之一,它可以賦予金剛石表面新的特性,例如優異的導熱性、良好的熱穩定性、改善的潤濕性以及其原有的物理和化學性能。
目前,金剛石表面鍍層使用的金屬材料是鈦、鉻、鉭、鋯等金屬。當它們與碳原子相互作用時,會形成一層金屬碳化物。而該研究的作者們選擇金屬鈮。
鈮作為過渡金屬,常溫下,不與空氣發生反應,在氧氣中紅熱時也不會被完全氧化,在高溫下能與硫、氮、碳直接化合。它也能夠在金剛石表面形成化學穩定的碳化鈮膜 (NbxCy)。這也是該研究團隊選擇的原因之一。
通常,碳化鈮薄膜可以通過反應磁控濺射、熱反應擴散、化學溶液和聚合物沉積等方法獲得。但由于 Nb 的熔點極高(2751 K)且與化學計量組成存在顯著偏差,合成碳化鈮薄膜仍然是一項挑戰。合成混合物中碳的缺乏或過量會導致碳空位或無定形碳過量,從而相應地降低此類碳化物的各種性能。因此,達到 NbC 的化學計量完美性是改善所得薄膜導電性能的重要任務。
在金剛石表面制造超導體
研究人員通過磁控濺射將鈮沉積在金剛石表面,并在真空中退火以形成 NbC。并嘗試在金剛石表面制造超導體。通過對碳化鈮的晶格常數隨碳缺陷濃度變化的理論計算表明,所獲得的碳化鈮層具有超導特性。
“我們嘗試在金剛石表面制造超導體,并意識到如果我們在金剛石表面沉積鈮,然后對其進行退火,退火過程中會發生以下相變:鈮膜在加熱后會變成Nb?C化合物,在進一步加熱到1200℃以上會變成NbC。”Evlashin說道。
該研究的共同作者,能源轉型中心教授Alexander Kvashnin補充說到,“對碳化鈮超導特性的計算表明,在19.4 K的溫度下發生了超導轉變,這與實驗測量值非常接近,”Kvashnin 說道。
值得注意的是,與其他鈮基合金相比,該實驗獲得的碳化鈮薄膜質量很高。根據碳缺陷濃度,對碳化鈮晶格常數的理論計算表明,在金剛石上合成碳化鈮的方法可以獲得高質量的碳化鈮,其晶格參數接近無缺陷材料。
“碳化鈮薄膜中缺陷濃度較低,從而使電子擴散值足夠高,這一點,加上觀察到的超導特性,對于量子檢測設備具有實際意義。”莫斯科國立師范大學的研究科學家Anna Kolbatova表示,“將具有超導特性的碳化鈮膜涂在金剛石表面,則有可能利用其高導熱性制造出超靈敏探測器。金剛石的高導熱性將有助于檢測信號——這比其他材料檢測速度快得多。”
該研究為金剛石金屬化問題提供了解決方案,即在金剛石表面形成化學計量完美的 NbC 薄膜。通過磁控濺射將鈮沉積在金剛石表面,并在真空中退火以在不同溫度下形成 NbC。金剛石上的這種薄膜在各個科學技術領域,尤其是單光子探測器方面都有很大的應用前景。
這項研究涉及兩個項目。第一個項目是“研究合金元素對納米結構碳材料電化學特性的影響,以創建有前途的電流源”,旨在獲得可用于創建新一代電化學源的結果。第二個項目是“基于二維范德華結構的新一代量子探測器和單光子源”,旨在開發超越傳統量子探測設備的量子探測設備。
DOI :10.1016/j.jallcom.2023.173266