Amorf karbon - Amorphous carbon

Amorf karbon ücretsiz, reaktif karbon içermeyen kristal yapı. Amorf karbon malzemeler sonlandırılarak stabilize edilebilir sarkan-π bağlar ile hidrojen. Diğerlerinde olduğu gibi amorf katılar bazı kısa menzilli düzenler gözlemlenebilir. Amorf karbon genellikle şu şekilde kısaltılır: AC genel amorf karbon için, aC: H veya HAC hidrojene amorf karbon için veya ta-C için dört yüzlü amorf karbon (olarak da adlandırılır elmas benzeri karbon ).[1]

Mineralojide

İçinde mineraloji, amorf karbon için kullanılan addır kömür, is, karbür türevi karbon ve grafit veya elmas olmayan diğer saf olmayan karbon formları. İçinde kristalografik ancak, malzemeler gerçekten amorf değil, daha çok çok kristalli malzemeleri grafit veya elmas[2] amorf bir karbon içinde matris. Ticari karbon ayrıca genellikle kristal safsızlıklar da oluşturabilen önemli miktarlarda başka elementler içerir.

Modern bilimde

20. yüzyılın ikinci yarısında modern ince film biriktirme ve büyüme tekniklerinin gelişmesiyle, örneğin kimyasal buhar biriktirme, püskürtmeli biriktirme, ve katodik ark birikimi gerçekten amorf karbon malzemeleri imal etmek mümkün hale geldi.

Gerçek amorf karbon, yerelleştirilmiş π elektronlara sahiptir ( aromatik π tahviller grafit içinde) ve bağları, diğerleriyle tutarsız uzunluklar ve mesafelerle oluşur. allotrop karbon. Aynı zamanda yüksek konsantrasyonda sarkan bağlar içerir; bunlar, atomlar arası aralıkta sapmalara neden olur (kullanılarak ölçüldüğü gibi kırınım )% 5'ten fazla ve ayrıca bağ açısında gözle görülür değişiklik.[2]

Amorf karbon filmlerin özellikleri biriktirme sırasında kullanılan parametrelere bağlı olarak değişir. Amorf karbonu karakterize etmenin birincil yöntemi, sp2 -e sp3 melezleşmiş bağlar malzemede mevcut. Grafit tamamen şunlardan oluşur: sp2 melezlenmiş bağlar, elmas ise tamamen sp3 melezleşmiş bağlar. Yüksek malzemeler sp3 melezleştirilmiş bağlar, aşağıdakilerin oluşturduğu dört yüzlü şekil nedeniyle, tetrahedral amorf karbon olarak adlandırılır. sp3 melezleştirilmiş bağlar veya elmas benzeri karbon (birçok fiziksel özelliğin elmasınkilere benzerliğinden dolayı).

Deneysel olarak, sp2 sp için3 oranlar, çeşitli spektroskopik tepe noktalarının göreceli yoğunlukları karşılaştırılarak belirlenebilir (dahil EELS, XPS, ve Raman spektroskopisi ) grafit veya elmas için beklenenlere. Teorik çalışmalarda, sp2 -e sp3 oranlar genellikle üç bağlı komşusu olan karbon atomlarının sayısı ile dört bağlı komşusu olanların sayılmasıyla elde edilir. (Bu teknik, komşu atomların bağlı olarak kabul edilip edilmediğini belirlemek için biraz keyfi bir metriğe karar vermeyi gerektirir ve bu nedenle yalnızca göreceli hızın bir göstergesi olarak kullanılır.2-sp3 oran.)

Sp tarafından amorf karbon malzemelerin karakterizasyonu2-sp3 oran grafit ve elmas arasında tek boyutlu bir özellik aralığını gösteriyor gibi görünebilir, bu kesinlikle böyle değildir. Şu anda, amorf karbon malzemeler tarafından sunulan özellikleri karakterize etme ve genişletme yollarına yönelik araştırmalar devam etmektedir.

Tüm pratik formlar hidrojene karbon (örneğin duman, baca isi, bitüm ve antrasit gibi çıkarılmış kömür) büyük miktarlarda polisiklik aromatik hidrokarbon katranlar ve bu nedenle neredeyse kesin olarak kanserojendir.

Q-karbon

Q-karbon Söndürülmüş karbonun kısaltması, kaşifleri tarafından rapor edilen amorf bir karbon türüdür. ferromanyetik, elektriksel olarak iletken daha zor elmas,[3] ve sergileyebilir yüksek sıcaklıkta süper iletkenlik.[4][5][6][7] Orijinal kaşifler, Q-karbonun sentezi ve karakterizasyonu üzerine bilimsel makaleler yayınladılar, ancak 2019 itibariyle, bu rapor edilen özelliklerin henüz herhangi bir bağımsız deneysel sentezi veya onayı yok.

Araştırmacılara göre, Q-karbon, 3 yollu (sp) bir karışım olan rastgele amorf bir yapı sergiliyor.2) ve 4 yollu (sp3) yapıştırma tek tip sp yerine3 elmaslarda bulunan bağ.[8][9] Nanosaniye lazer darbeleri kullanılarak karbon eritilir, ardından söndürüldü Q-karbon veya Q-karbon ve elmas karışımı oluşturmak için hızla. Q-karbon, birden fazla biçimde yapılabilir. Nanoneedles geniş alanlı elmas filmlere. Araştırmacılar ayrıca nitrojen boşluğu Nanodiamonds.[10]

Keşif

2015 yılında, liderliğindeki bir araştırma grubu Jagdish Narayan profesörü malzeme bilimi ve mühendislik Kuzey Karolina Eyalet Üniversitesi ve yüksek lisans öğrencisi Anagh Bhaumik, Q-carbon'un keşfini duyurdu.[4][6][11][12][13][14][15] Ayrıca Q- keşfini duyurdular.Bor nitrür (Q-BN) ve karbonun elmasa ve h-BN'nin c-BN'ye dönüşümü[16] ortam sıcaklıklarında ve hava basınçlarında.[17]

İşlem başladı[belirsiz ] Narayan'ın lazerle ilgili kağıtları ile tavlama, yayınlanan Bilim,[18][19] ve 2015-16'da başka bir makale serisiyle doruğa ulaştı[20][21][22][23][24][25][tam alıntı gerekli ] ve üç Birleşik Devletler patent başvurusu: 62 / 245,108 (2015); 62 / 202,202 (2015); ve 62 / 331.217 (2016). Bunlar, Q-Carbon Inc tarafından lisanslanmıştır.[26] Q-karbon bazlı ürünleri ticarileştirmek,[27][28][29] elmas,[30] Q-BN ve c-BN.[31][32][33][34]

Üretim

Tipik olarak elmas, karbonun çok yüksek sıcaklıklarda (> 5.000 K ) ve basınçlar (> 120.000 atmosferler ). Bununla birlikte, Narayan ve grubu termodinamik sınırlamaların üstesinden gelmek için darbeli nanosaniye lazer eritmenin kinetiğini ve zaman kontrolünü kullandı ve bir aşırı soğutulmuş ortam sıcaklık ve basınçlarında karbonun Q-karbon ve elmasa dönüşmesini sağlayan durum. İşlem, göz cerrahisinde kullanılana benzer, yaklaşık 200 nanosaniye süren yüksek güçlü bir lazer darbesi kullanır. Bu, karbonun sıcaklığını yaklaşık 4.000 K'ye (3.700 ° C; 6.700 ° F) yükseltir. atmosferik basınç. Elde edilen sıvı daha sonra söndürülür (hızla soğutulur); malzemenin adındaki "Q" nun kaynağı bu aşamadır. Erime sıcaklığının altındaki aşırı soğutma derecesi, ister Q-karbon ister elmas olsun, karbonun yeni fazını belirler. Daha yüksek soğutma hızları Q-karbon ile sonuçlanırken, elmas, karbon sıvısının serbest enerjisi elmasınkine eşit olduğunda oluşma eğilimindedir.

Bu tekniği kullanarak elmas hem n hem de p tipi ile katkılanabilir. dopanlar yüksek güç için kritik olan katı hal elektroniği. Hızlı sırasında kristal erimeden kaynaklanan büyüme, katkı maddesi konsantrasyonları, bir çözünen madde yakalama fenomeni yoluyla termodinamik çözünürlük sınırını çok aşabilir. Bu, yeterince yüksek serbest taşıyıcı konsantrasyonları elde etmek için gereklidir, çünkü bu katkı maddeleri derin olma eğilimindedir. bağışçılar yüksek ile iyonlaşma enerjileri.

Araştırmacıların bir tane yapması sadece 15 dakika sürdü kırat Q-karbon. İlk araştırma, ince bir tabakadan Q-karbon oluşturdu. safir amorf (kristal olmayan) karbon ile kaplanmıştır. Daha ileri çalışmalar göstermiştir ki, diğer substratlar cam gibi veya polimer, ayrıca çalışır. Bu çalışma daha sonra h-BN'yi faz saf c-BN'ye dönüştürmek için genişletildi.[35]

Özellikleri

Q-karbon kristal değildir ve karışık sp2 ve sp3 bağ, çoğunlukla sp3sertliğinin açıklaması olarak sunulan[36] elektriksel, optik ve manyetik özellikleri. Q-karbon, elmastan% 48-70 oranında daha serttir çünkü karbon, erimiş halde metaliktir ve bağ uzunluğu elmastan daha küçük. Bilinen diğer tüm karbon türlerinin aksine, Q-karbon ferromanyetik, Birlikte doygunluk manyetizması 20 emu / g ve tahmini Curie sıcaklığı yaklaşık 500 K.[37][38]

Aşırı soğutulmuş durumdaki su verme hızına bağlı olarak, Q-karbon bir yarı iletken veya metalik. Daha güçlü negatifi nedeniyle düşük seviyelerde enerjik radyasyona maruz kaldığında bile elmastan daha fazla parlar. Elektron ilgisi.[39]

Bor katkılı Q-Carbon sergileri BCS 57K'ya kadar süper iletkenlik tipi.[40][41][42][43][29]

Bazı gruplar, rekor yüksek sıcaklık süperiletkenliği, ferromanyetizma ve sertlik dahil olmak üzere Q-karbonun bildirilen özelliklerinin teorik açıklamalarını sağlamıştır.[44][45]

Ayrıca bakınız

Referanslar

  1. ^ Robertson, J. (1986). "Amorf karbon". Fizikteki Gelişmeler. 35 (4): 317–374. Bibcode:1986AdPhy..35..317R. doi:10.1080/00018738600101911.
  2. ^ a b IUPAC, Kimyasal Terminoloji Özeti, 2. baskı. ("Altın Kitap") (1997). Çevrimiçi düzeltilmiş sürüm: (2006–) "elmas benzeri karbon filmler ". doi:10.1351 / goldbook.D01673
  3. ^ Narayan, Jagdish; Gupta, Siddharth; Bhaumik, Anagh; Sachan, Ritesh; Cellini, Filippo; Riedo, Elisa (2018). "Q-karbon elmastan daha sert". MRS Communications. 8 (2): 428–436. doi:10.1557 / mrc.2018.35. ISSN  2159-6859.
  4. ^ a b Narayan, Jagdish; Bhaumik, Anagh (2015-12-07). "Karbonun yeni aşaması, ferromanyetizma ve elmasa dönüşüm". Uygulamalı Fizik Dergisi. 118 (21): 215303. Bibcode:2015JAP ... 118u5303N. doi:10.1063/1.4936595. ISSN  0021-8979.
  5. ^ Roston, Brittany (30 Kasım 2015). "Araştırmacılar oda sıcaklığında elmas yaratıyor". Alındı 22 Eyl 2019.
  6. ^ a b Bromwich, Jonah (2015-12-03). "Yeni Madde Elmastan Daha Zor, Bilim Adamları Diyor". New York Times. ISSN  0362-4331. Alındı 22 Eyl 2019.
  7. ^ Ben Brumfield. "Q-karbon elmastan daha sert, daha parlak". CNN. Alındı 22 Eyl 2019.
  8. ^ "Q-karbon elmastan daha sert, yapımı inanılmaz derecede basit | ExtremeTech". ExtremeTech. Alındı 22 Eyl 2019.
  9. ^ "Araştırmacılar Karbonun Yeni Aşamasını Buldu, Oda Sıcaklığında Elmas Yaptı". news.ncsu.edu. Alındı 22 Eyl 2019.
  10. ^ Narayan, Jagdish; Bhaumik, Anagh (2016-11-02). "Saf ve NV katkılı nano elmasların ve diğer nanoyapıların yeni sentezi ve özellikleri". Malzeme Araştırma Mektupları. 5 (4): 242–250. doi:10.1080/21663831.2016.1249805. ISSN  2166-3831.
  11. ^ Crowell, Maddy (2015-12-03). "Elmasların yerini mi alacak? Bilim adamları Q-carbon'u keşfetti". Hıristiyan Bilim Monitörü. ISSN  0882-7729. Alındı 22 Eyl 2019.
  12. ^ Wei-Haas, Maya. "Tuhaf Yeni Karbon Türü Elmastan Daha Sert (ve Daha Parlak)". Alındı 22 Eyl 2019.
  13. ^ Mack, Eric. "Bilim Adamları Oda Sıcaklığında Yeni Bir Tür Elmas Yaratıyor". Alındı 22 Eyl 2019.
  14. ^ "Q-karbon: Yeni bir karbon fazı o kadar sert ki eridiğinde elmas oluşturur". newatlas.com. Alındı 22 Eyl 2019.
  15. ^ "Araştırmacılar karbonun yeni fazını bulur, oda sıcaklığında elmas yapar". Alındı 22 Eyl 2019.
  16. ^ Narayan, Jagdish; Bhaumik, Anagh (Şubat 2016). "Araştırma Güncellemesi: h-BN'nin ortam sıcaklıklarında ve havadaki basınçlarda doğrudan saf c-BN'ye dönüştürülmesi". APL Malzemeleri. 4 (2): 020701. doi:10.1063/1.4941095. ISSN  2166-532X.
  17. ^ Narayan, Jagdish; Bhaumik, Anagh; Gupta, Siddharth; Haque, Ariful; Sachan, Ritesh (2018/04/06). "Q-carbon ve olağanüstü özelliklere sahip ilgili malzemelerde ilerleme". Malzeme Araştırma Mektupları. 6 (7): 353–364. doi:10.1080/21663831.2018.1458753. ISSN  2166-3831.
  18. ^ White, C. W .; Narayan, J .; Genç, R.T. (1979). "İyon İmplante Yarı İletkenlerin Lazerle Tavlanması". Bilim. 204: 461. doi:10.1126 / bilim.204.4392.461.
  19. ^ Narayan, J .; Godbole, V. P .; Beyaz, C.W. (1991). "Kesintisiz Elmas Filmlerin Elmas Olmayan Yüzeylerde Sentezi ve İşlenmesi için Lazer Yöntemi". Bilim. 252: 416. doi:10.1126 / science.252.5004.416.
  20. ^ Narayan Jagdish (2015). "Araştırma Güncellemesi: Ortam basınçlarında ve havadaki sıcaklıklarda amorf karbonun doğrudan elmasa dönüştürülmesi". APL Malzemeleri. 3: 100702. doi:10.1063/1.4932622.
  21. ^ Narayan, Jagdish; Bhaumik, Anagh (2016). "Araştırma Güncellemesi: h-BN'nin ortam sıcaklıklarında ve havadaki basınçlarda doğrudan saf c-BN'ye dönüştürülmesi". APL Malzemeleri. 4: 020701. doi:10.1063/1.4941095.
  22. ^ Narayan Jagdish (2015). "Karbonun yeni aşaması, ferromanyetizma ve elmasa dönüşüm". J. Appl. Phys. 118: 215303. Bibcode:2015JAP ... 118u5303N. doi:10.1063/1.4936595.
  23. ^ Yazar (2016). "H-BN'nin c-BN'ye doğrudan dönüşümü ve epitaksiyel c-BN / elmas heteroyapılarının oluşumu". J. Appl. Phys. 119: 185302. doi:10.1063/1.4948688.
  24. ^ Malzemeler Arş. Mektuplar. 2016. doi:10.1080/21663931.2015.1126865. Eksik veya boş | title = (Yardım)
  25. ^ Gelişmiş Malzemeler ve Süreçler. 174: 24. 2016. Eksik veya boş | title = (Yardım)
  26. ^ Q Carbon Inc
  27. ^ Narayan, Jagdish; Bhaumik, Anagh (2016/02/03). "Q-karbon keşfi ve tek kristal elmas nano ve mikroiğneler ile ince filmlerin oluşumu". Malzeme Araştırma Mektupları. 4 (2): 118–126. doi:10.1080/21663831.2015.1126865. ISSN  2166-3831.
  28. ^ Gupta, Siddharth; Bhaumik, Anagh; Sachan, Ritesh; Narayan, Jagdish (2018/01/03). "Q-Carbon ve Nanodiamondların Yapısal Evrimi". JOM. 70 (4): 450–455. doi:10.1007 / s11837-017-2714-y. ISSN  1047-4838.
  29. ^ a b Gupta, Siddharth; Sachan, Ritesh; Bhaumik, Anagh; Pantolon, Punam; Narayan, Jagdish (Haziran 2018). "Q-karbon, elmas ve grafitin yetersiz soğutmaya dayalı büyümesi". MRS Communications. 8 (2): 533–540. doi:10.1557 / mrc.2018.76. ISSN  2159-6859.
  30. ^ Bhaumik, Anagh; Narayan, Jagdish (2018/01/03). "Söndürülmüş ve Kristalin Fazların Sentezi ve Karakterizasyonu: Q-Karbon, Q-BN, Elmas ve Faz-Saf c-BN". JOM. 70 (4): 456–463. doi:10.1007 / s11837-017-2712-0. ISSN  1047-4838.
  31. ^ Narayan, Jagdish; Bhaumik, Anagh (2016). "Q-BN'nin Keşfi ve h-BN'nin c-BN'ye Doğrudan Dönüşümü ve Epitaksiyel c-BN / Elmas Heteroyapılarının Oluşumu". MRS Gelişmeleri. 1 (37): 2573–2584. doi:10.1557 / adv.2016.472. ISSN  2059-8521.
  32. ^ Narayan, Jagdish; Bhaumik, Anagh (2016). "Q-BN'nin Keşfi ve h-BN'nin c-BN'ye Doğrudan Dönüşümü ve Epitaksiyel c-BN / Elmas Heteroyapılarının Oluşumu". MRS Gelişmeleri. 1 (37): 2573–2584. doi:10.1557 / adv.2016.472. ISSN  2059-8521.
  33. ^ Narayan, Jagdish; Bhaumik, Anagh; Xu, Weizong (2016-05-14). "H-BN'nin c-BN'ye doğrudan dönüşümü ve epitaksiyel c-BN / elmas heteroyapılarının oluşumu". Uygulamalı Fizik Dergisi. 119 (18): 185302. doi:10.1063/1.4948688. ISSN  0021-8979.
  34. ^ Narayan, Jagdish; Bhaumik, Anagh (2017), "Q-Aşamalarının Temel Keşfi ve Karbonun Elmasa ve h-BN'nin c-BN'ye Doğrudan Dönüşümü" Gelişmiş Malzemelerin Mekanik ve Sürünme Davranışı, Springer International Publishing, s. 219–228, doi:10.1007/978-3-319-51097-2_17, ISBN  9783319510965
  35. ^ APL Malzemeleri 4, 202701 (2016)
  36. ^ Gupta, Siddharth; Sachan, Ritesh; Bhaumik, Anagh; Narayan, Jagdish (2018). "Nanosaniye darbeli lazer tavlama ile Q-karbon nanokompozitlerin geliştirilmiş mekanik özellikleri". Nanoteknoloji. 29 (45): 45LT02. doi:10.1088 / 1361-6528 / aadd75. ISSN  1361-6528. PMID  30156561.
  37. ^ Bhaumik, Anagh; Nori, Sudhakar; Sachan, Ritesh; Gupta, Siddharth; Kumar, Dhananjay; Majumdar, Alak Kumar; Narayan, Jagdish (2018/02/06). "Nanoyapılı Q-Carbon'da Oda Sıcaklığı Ferromanyetizması ve Olağanüstü Hall Etkisi: Potansiyel Spintronik Cihazlar için Çıkarımlar". ACS Uygulamalı Nano Malzemeler. 1 (2): 807–819. doi:10.1021 / acsanm.7b00253. ISSN  2574-0970.
  38. ^ Bhaumik, Anagh; Narayan, Jagdish (2018-05-28). "Q-karbonda elektrokromik etki". Uygulamalı Fizik Mektupları. 112 (22): 223104. doi:10.1063/1.5023613. ISSN  0003-6951.
  39. ^ Haque, Ariful; Narayan, Jagdish (Haziran 2018). "Q-karbondan elektron alanı emisyonu". Elmas ve İlgili Malzemeler. 86: 71–78. doi:10.1016 / j.diamond.2018.04.008. ISSN  0925-9635.
  40. ^ Bhaumik, Anagh; Sachan, Ritesh; Narayan, Jagdish (2017). "Yüksek sıcaklıkta karbon bazlı yeni bir süperiletken: B katkılı Q-karbon". Uygulamalı Fizik Dergisi. 122 (4): 045301. Bibcode:2017JAP ... 122d5301B. doi:10.1063/1.4994787.
  41. ^ Bhaumik, Anagh; Sachan, Ritesh; Narayan, Jagdish (2017/05/05). "Bor Katkılı Q-Karbonda Yüksek Sıcaklık Süperiletkenliği". ACS Nano. 11 (6): 5351–5357. doi:10.1021 / acsnano.7b01294. ISSN  1936-0851. PMID  28448115.
  42. ^ Bhaumik, Anagh; Sachan, Ritesh; Gupta, Siddharth; Narayan, Jagdish (2017-11-10). "B-Katkılı Q-Karbonda Yüksek Sıcaklık Süperiletkenliğinin (Tc = 55 K) Keşfi". ACS Nano. 11 (12): 11915–11922. doi:10.1021 / acsnano.7b06888. ISSN  1936-0851. PMID  29116751.
  43. ^ Bhaumik, Anagh; Sachan, Ritesh; Narayan, Jagdish (2018). "B katkılı Q-karbonda manyetik gevşeme ve üç boyutlu kritik dalgalanmalar - yüksek sıcaklıkta bir süper iletken". Nano ölçek. 10 (26): 12665–12673. doi:10.1039 / c8nr03406k. ISSN  2040-3364. PMID  29946612.
  44. ^ Sakai, Yuki; Chelikowsky, James R .; Cohen, Marvin L. (2018/02/01). "Süper iletken karbonda bor katkısının etkisini simüle etmek". Fiziksel İnceleme B. 97 (5): 054501. arXiv:1709.07125. Bibcode:2018PhRvB..97e4501S. doi:10.1103 / PhysRevB.97.054501.
  45. ^ Sakai, Yuki; Chelikowsky, James R .; Cohen, Marvin L. (2018-07-13). "Amorf karbondaki manyetizma". Fiziksel İnceleme Malzemeleri. 2 (7): 074403. arXiv:1803.11336. doi:10.1103 / PhysRevMaterials.2.074403.