Για πρώτη φορά, ερευνητές στην Ιαπωνία χαρτογράφησαν άμεσα διάφορα συστατικά του πεδίου τάσεων που περιβάλλει μια ατέλεια ατομικής κλίμακας στην κρυσταλλική δομή του διαμαντιού. Υπό την καθοδήγηση του Tokuyuki Teraji από το Εθνικό Ινστιτούτο Επιστήμης Υλικών της Ιαπωνίας, η ερευνητική ομάδα πέτυχε αυτό το αποτέλεσμα χρησιμοποιώντας κέντρα αζώτου-κενού (nitrogen-vacancy - NV) εντός του διαμαντιού, των οποίων οι καταστάσεις σπιν αποκρίνονται διαφορετικά στην τάση, ανάλογα με τον προσανατολισμό τους ως προς το πεδίο τάσεων.
Ατέλειες ατομικής κλίμακας
Η τεχνική, η οποία δημοσιεύθηκε στο περιοδικό *Applied Physics Letters*, επιβεβαιώνει μια θεωρία 80 ετών σχετικά με τον τρόπο κατανομής των μικροσκοπικών πεδίων τάσεων στο διαμάντι. Θα μπορούσε επίσης να συμβάλει στη βελτίωση των διαδικασιών που χρησιμοποιούνται για την κατασκευή διαμαντιών υψηλής ποιότητας, τα οποία απαιτούνται από αναδυόμενες τεχνολογίες.
Ακόμη και σε κρυστάλλους που κατά τα άλλα παρουσιάζουν άρτια δομή, όπως το διαμάντι, εντοπίζονται πάντα ατέλειες ατομικής κλίμακας, όπου γειτονικές σειρές ατόμων δεν είναι σωστά ευθυγραμμισμένες μεταξύ τους. Οι ατέλειες αυτές, που ονομάζονται «διατάξεις» (dislocations), δημιουργούν μικροσκοπικά πεδία τάσεων που διαχέονται στα γύρω άτομα. Σε ολόκληρο το κρυσταλλικό πλέγμα, μπορούν να επηρεάσουν σημαντικά τις μηχανικές, ηλεκτρικές και μαγνητικές ιδιότητες του υλικού.
Πριν από περισσότερα από 80 χρόνια, φυσικοί χρησιμοποίησαν τη θεωρία ελαστικότητας για να διατυπώσουν μια μαθηματική περιγραφή αυτών των πεδίων τάσεων —γνωστή ως «τανυστής τάσεων» (stress tensor)— η οποία καθορίζει την τάση σε οποιοδήποτε σημείο γύρω από μια διάταξη.
Έκτοτε, αυτή η περιγραφή αποτελεί τη βάση για την κατανόηση της συμπεριφοράς των διατάξεων, από την ενέργεια που αποθηκεύουν έως τις δυνάμεις που ασκούν η μία στην άλλη. Ωστόσο, η άμεση μέτρηση αυτών των μικροσκοπικών πεδίων τάσεων αποδείχθηκε πολύ πιο δύσκολη: οι υπάρχουσες τεχνικές μπορούν να καταγράψουν μόνο ορισμένες πτυχές της τάσης, με αποτέλεσμα η θεωρία να μην έχει ποτέ ελεγχθεί πλήρως.
Πρόσφατα, η δυσκολία αυτή κατέστη ακόμη πιο κρίσιμη στον σχεδιασμό συσκευών ισχύος και κβαντικών συσκευών επόμενης γενιάς. Πολλές από αυτές τις τεχνολογίες βασίζονται στην ανάπτυξη κρυστάλλων υψηλής ποιότητας στο εργαστήριο — μια διαδικασία που απαιτεί εξαιρετικά ακριβή έλεγχο. Χωρίς έναν αξιόπιστο τρόπο άμεσης μέτρησης των πεδίων τάσεων που προκαλούνται από τις διατάξεις, προκύπτουν αβεβαιότητες σχετικά με το πώς αυτές οι ατέλειες επηρεάζουν τις ιδιότητες του κρυστάλλου, εμποδίζοντας τα υλικά να αξιοποιήσουν πλήρως τις δυνατότητές τους.
Πεδία τάσεων που φθορίζουν
Στη συγκεκριμένη μελέτη, η ομάδα του Teraji χρησιμοποίησε κέντρα NV ως μικροσκοπικούς αισθητήρες της τάσης που περιβάλλει μια διάταξη. Αυτά τα ελαττώματα σχηματίζονται όταν ένα άτομο άνθρακα στο κρυσταλλικό πλέγμα του διαμαντιού αντικαθίσταται από ένα άτομο αζώτου, το οποίο βρίσκεται δίπλα σε μια κενή θέση στο πλέγμα.
Τα κέντρα NV (άζωτο-κενό) είναι ιδιαίτερα χρήσιμα στην κβαντική ανίχνευση, καθώς οι καταστάσεις σπιν των ασύζευκτων ηλεκτρονίων που συνδέονται με αυτά είναι εξαιρετικά ευαίσθητες στο τοπικό τους περιβάλλον, συμπεριλαμβανομένης της μηχανικής τάσης. Είναι επίσης εξαιρετικά σταθερά, διατηρώντας την κβαντική τους πληροφορία για μεγάλο χρονικό διάστημα, ακόμη και σε θερμοκρασία δωματίου.
Επιπλέον, οι καταστάσεις σπιν τους μπορούν εύκολα να αναγνωστούν οπτικά. Όταν φωτίζονται με ακτίνα λέιζερ, τα κέντρα NV παρουσιάζουν φθορισμό με διαφορετική ένταση, ανάλογα με την κατάσταση του σπιν τους. Εφαρμόζοντας μικροκύματα, οι ερευνητές μπορούν να αλλάξουν (αντιστρέψουν) αυτό το σπιν —αλλά μόνο όταν η συχνότητα των μικροκυμάτων συμπίπτει με τη συχνότητα συντονισμού του κέντρου NV— προκαλώντας μια μετρήσιμη μείωση στη φωτεινότητα.
Αποκαλύπτοντας τις κατανομές
Για να αξιοποιήσει αυτή τη συμπεριφορά, η ομάδα του Teraji εξέτασε πώς θα μεταβάλλονταν αυτές οι συχνότητες συντονισμού ως απόκριση στο πεδίο τάσης μιας ατέλειας (dislocation). Εντός του κρυσταλλικού πλέγματος του διαμαντιού, τα κέντρα NV μπορούν να έχουν τέσσερις πιθανούς προσανατολισμούς. Το κρίσιμο στοιχείο είναι ότι οι συχνότητες συντονισμού τους μετατοπίζονται ανάλογα με την κατεύθυνση της ασκούμενης τάσης σε σχέση με τον άξονα που ενώνει το άτομο αζώτου με την κενή θέση (vacancy). Για κέντρα NV που βρίσκονται στο ίδιο πεδίο τάσης, αυτό δημιουργεί ελαφρώς διαφορετικές μετατοπίσεις για κάθε προσανατολισμό, επιτρέποντας τον διαχωρισμό των επιμέρους συνιστωσών του τανυστή τάσης.
Για να ανιχνεύσουν αυτές τις μετατοπίσεις, οι ερευνητές δημιούργησαν αρχικά ένα λεπτό, υψηλής ποιότητας υμένιο διαμαντιού μέσω χημικής εναπόθεσης από αέρια φάση (chemical vapor deposition) και στη συνέχεια εντόπισαν μια περιοχή όπου το πεδίο τάσης κυριαρχούνταν από μία και μόνο ατέλεια (dislocation) υπό γωνία 45°.
Το υμένιο δημιουργήθηκε από άνθρακα εμπλουτισμένο με το ισότοπο άνθρακας-1 Επιπλέον, ρύθμισαν με ακρίβεια τη συγκέντρωση του αζώτου στο υμένιο, ώστε να μεγιστοποιήσουν τη φωτεινότητα του φθορισμού των κέντρων NV, χωρίς να θυσιάσουν τη συνοχή των καταστάσεων σπιν τους.
Στη συνέχεια, χρησιμοποιώντας ένα εστιακό μικροσκόπιο (confocal microscope), υπέβαλαν τα κέντρα NV σε όλη την έκταση του υμενίου σε ζεύγη παλμών μικροκυμάτων, οι οποίοι απείχαν μεταξύ τους κατά ένα προσεκτικά επιλεγμένο χρονικό διάστημα. Η τεχνική αυτή τους επέτρεψε να μετρήσουν τις συχνότητες συντονισμού με εξαιρετική ακρίβεια, βασιζόμενοι στη φωτεινότητα του προκύπτοντος φθορισμού, ανιχνεύοντας έτσι τάσεις με ακρίβεια περίπου 1 megapascal. ..περίπου 10 φορές πιο ακριβής από τις συμβατικές μεθόδους.
Μέσω αυτών των μετρήσεων, χαρτογράφησαν τέσσερα ξεχωριστά συνιστώσες του τανυστή τάσης γύρω από τη διαταραχή (dislocation). «Οι μετρήσεις αποκάλυψαν μια κατανομή τάσεων με κεντρική συμμετρία γύρω από τη διαταραχή, εντοπίζοντας με επιτυχία μικρές διακυμάνσεις της τάσης», εξηγεί ο Teraji.
Διερεύνηση πραγματικών ατελειών
Με βάση τα αποτελέσματά της, η ομάδα του Teraji εκτιμά ότι ο συνδυασμός της εξαιρετικά ελεγχόμενης κατασκευής διαμαντιών και της άμεσης μέτρησης των τάσεων θα μπορούσε να οδηγήσει σε σημαντικές νέες προόδους σε αναδυόμενες τεχνολογίες.
«Αυτή η συνδυαστική προσέγγιση επιτρέπει την ποσοτική αξιολόγηση και την ανάλυση των τοπικών πεδίων τάσης γύρω από μικροσκοπικές ατέλειες, οι οποίες υποβαθμίζουν την απόδοση των διατάξεων», αναφέρει ο Teraji. «Κατά συνέπεια, παρέχει άμεσες κατευθυντήριες γραμμές για την περαιτέρω βελτιστοποίηση των διαδικασιών ανάπτυξης κρυστάλλων, καθώς και για τη βελτίωση της αξιοπιστίας των διατάξεων ισχύος και των κβαντικών διατάξεων επόμενης γενιάς».
Χάρη στη δυνατότητα άμεσης μέτρησης των πεδίων τάσης μεμονωμένων διαταραχών —ακόμη και της διάκρισης μεμονωμένων διαταραχών από δέσμες αυτών— η εν λόγω τεχνική θα μπορούσε, σε τελική ανάλυση, να προσφέρει ένα ισχυρό νέο πλαίσιο για την ανάλυση των ατελειών στους κρυστάλλους.
www.worldenergynews.gr
