Владимир Карасев - Неизвестный алмаз. «Артефакты» технологии

• Название: Неизвестный алмаз. «Артефакты» технологии
• Автор: Владимир Карасев
• Жанр: Физика
• Год: 2015
• ISBN: 978-5-94836-405-6

В книге описываются результаты экспериментов по изучению оригинального квантово-волнового метода механического воздействия на кристаллы алмаза. Проведенные эксперименты открывают новые свойства и особенности этих кристаллов, находящихся в сильнонеравновесных условиях обработки. Показана принципиальная возможность возникновения необратимых сильнонеравновесных явлений в кристаллах алмаза при формировании в их объеме волновых потоков с винтовым возмущением волнового фронта. Взаимодействие этих волновых потоков в объеме алмаза приводит как к изменению дефектно-примесной структуры алмаза, снятию внутренних напряжений, так и к формированию морфологического рельефа поверхности кристалла без непосредственного касания всей его поверхности инструментом. Открытие этого метода воздействия на кристаллы алмаза – еще один шаг в создании технологий направленной модификации свойств алмаза, который является модельным объектом всей физики твердого тела. Описывается динамическая волновая среда, влияющая на получаемые результаты.

Книга предназначена для специалистов в области обработки алмазов, физики твердого тела, материаловедения, квантовой механики, а также для любознательных студентов и аспирантов.

---

Одно из удивительных проявлений волнового воздействия на алмаз отразилось в формировании поверхностного слоя алмаза, который у нас получил название «шуба». Гораздо проще дать определение этому явлению, чем детально его объяснить.

«Шуба» – реакция поверхности алмаза на волновое возмущение.

Свойства динамической волновой среды в объеме алмаза, формирующейся при взаимодействии обрабатывающего инструмента с поверхностью кристалла, во многом зависят от волновых характеристик взаимодействующих бегущих волн, определяющих гармонические колебания его кристаллической структуры.

Вполне очевидно, что созданная динамическая волновая среда в объеме кристалла, в свою очередь, может влиять на процесс волнового воздействия, происходящий в области контакта поверхности алмаза и обрабатывающего инструмента. Процесс взаимный. В |2 | мы сделали предположение, что на инструменте все излучатели сферических волн (зерна абразива) абсолютно одинаковы [14]. В реальности соблюсти подобные требования весьма проблематично. Существует разброс зернистости абразива, неравномерность его распределения по поверхности инструмента и т. д. и т. п. Отсюда можно сделать предположение, что каждый применяемый инструмент, как функция возбуждения кристаллической среды, обладает своими определенными волновыми характеристиками при воздействии на алмаз. Наиболее эффективным выполнением условий когерентного возбуждения системы, на наш взгляд, является взаимодействие в области контакта основных гармоник волновых функций инструмента и динамической волновой среды алмаза, совпадающих по своим параметрам.

Рис. 2.11. Высокоразрешающее электронно-микроскопическое изображение границы раздела обработанной области поверхности с объемом алмаза (а), изображение после фильтрации (б)

Энергия волн, не участвующих эффективно в процессе когерентного возбуждения обрабатываемого алмаза, концентрируется в некой приповерхностной области при его контакте с инструментом. В процессе концентрации волновой энергии при воздействии инструмента на алмаз в этой области формируется некая разупорядоченная кристаллофизическая структура поверхности алмаза, которая идентифицируется электронной дифракцией как тонкое поликристаллическое образование, содержащие большое количество точечных дефектов. По нашим оценкам, в зависимости от алгоритмов воздействия толщина этого слоя может достигать ~1 мкм.

На рис. 2.11а приведено изображение поперечного среза (110) границы раздела поверхности кристалла, где область контакта, т. е. участок обработанной поверхности (на снимке более светлый, слева), сопрягается с объемной матрицей алмаза (на снимке справа). На рис. 2.116 изображение этого же участка после Фурье-филырации. С хорошим разрешением наблюдается система атомных плоскостей алмаза (110). Расстояние между плоскостями (110) ~ 1,26 Ä. Изображение получено методом высокоразрешающей просвечивающей электронной микроскопии А. К. Гутаковским (Институт физики полупроводников СО АН РФ).

В данном случае может возникнуть ассоциация с неким нарушенным слоем, образующимся при обработке обычных полупроводниковых материалов [15]. Но это предположение не совсем корректно.

При проведении нашего процесса волнового воздействия на алмаз температура кристалла не превышает значений ~40 °C (в редких случаях и при специальных условиях ~60 °C). Этот факт является важным характерным свойством всей нашей технологии. Отсутствие условий образования микротрещин позволяет характеризовать процесс образования «шубы» как строго волновой. По нашим экспериментальным данным, подобная неравновесная система такого слоя полностью восстанавливается в монокрис-таллическое состояние матрицы алмаза при нагреве в сверхвысоком вакууме до температуры (?) ~ 850 "С. Это свойство «шубы» в корне отличает ее от существующих представлений о нарушенных слоях.

Проведенные исследования этого неравновесного образования позволяют сделать некоторые выводы, которые, на наш взгляд, могут быть весьма существенны при изучении волнового воздействия на кристаллы алмаза и роли волновых процессов, происходящих как на поверхности, так и в его объеме.

Первое.

Создание в процессе воздействия тонкого промежуточного слоя («шубы») позволяет не только влиять на возможность фильтрации спектров волнового возбуждения алмаза при обработке, тем самым повышая степень когерентности воздействия, но и высокоэффективно обрабатывать поверхность алмаза любой кристаллографической ориентации механическим способом, при этом формировать с высокой степенью полировки (~0,2 нм) не только плоские поверхности, но и поверхности, описываемые уравнениями второго порядка (сферические, конусообразные, параболические и т. д.).

Второе.

Сохраняя заданную величину шероховатости, при отжиге в сверхвысоком вакууме этот слой («шуба») восстанавливается (при 1 ~ 850 °C) в монокристаллическую атомарно чистую алмазную поверхность, создавая оптимальные условия дтя проведения ростовых процессов эпитаксии на поверхности кристалла [13].

Третье.

«Шуба», обладая своей некой макроструктурой, отличается (по нашим наблюдениям) повышенной твердостью относительно основной кристаллографической матрицы алмаза, характерными только для «шубы» оптическими свойствами, включая эффект частичной поляризации проходящего светового потока.

Бегущие в объеме волны, отражаясь от этого слоя, могут формировать в объеме алмаза систему стоячих волн, имеющих узлы в границе раздела алмаз – «шуба» и пучности на границе раздела, например, кристалла с атмосферой. По данным Оже-спектроскопии, после обработки поверхности плоскопараллельной алмазной пластины на противоположной поверхности этой пластины, которая не соприкасалась с работающим инструментом, фиксируются аномалии в отражательных спектрах упругих электронов, говорящие об изменении электронной подсистемы этой поверхности алмаза.

Создав в объеме кристалла свою систему, стоячие волны в процессе воздействия продолжают взаимодействовать с бегущими волнами. Отсюда, динамическая волновая среда в объеме алмаза начинает обладать определенной системой взаимодействующих бегущих и стоячих волн. В этом случае проявляется вероятность концентрации волновой энергии и образование высокоэнергетических доменов на тех участках объема алмаза, которые не соответствуют оптимальному (гармоничному) прохождению волновых процессов. Например, на дефектах кристаллической структуры.

По нашим данным, в этом случае в динамической волновой среде происходит изменение (корректировка) дефектно-примесной структуры алмаза. Ниже мы приводим результаты исследований алмазной пластины до нашего воздействия и после волнового возбуждения.

Таблица 2.1. Пластина до волновой обработки

Таблица 2.2. Пластина после волнового воздействия

По результатам этих исследований делаем вывод:: после нашего волнового воздействия увеличилось содержание атомов азота в A-форме в объеме алмаза на ~25 %, произошло снятие внутренних напряжений в пластине, улучшились оптические характеристики алмаза, в частности произошло уменьшение величины оптической анизотропии.

Известно, что кристаллы алмаза обладают анизотропией физических характеристик. Например, анизотропия механических свойств этого упругого тела (мягкие и твердые направления обработки) позволяет рассматривать алмаз как некий нелинейный элемент при протекании в нем волнового процесса упругих деформаций. Вследствие этого при нашей обработке материала в его объеме происходит резкое умножение частоты формируемого флуктуирующего волнового поля алмаза.

Это умножение частоты происходит за счет вклада в волновой процесс определенного вида гармоник высокого порядка, кратных основной частоте возбуждения, задаваемой алгоритмом. Это свойство алмаза расширяет возможности изменения его дефектно-примесной структуры, а также повышает эффективность формирования поверхностных и объемных диссипативных структур при использовании квантово-волновой технологии.

Важную роль при формировании динамической волновой среды и протекании волнового процесса в целом оказывает и форма обрабатываемого кристалла. Это вполне очевидно, т. к. бегущие когерентные волны отражаются в объем от внутренних поверхностей алмаза. Эффект формы алмаза может формировать и влиять на определенные свойства динамической волновой среды. Наблюдается также и влияние высокочастотной динамической волновой среды на конфигурацию определенных форм кристалла. Связь взаимная. В этом случае не исключена возможность в поверхностной области алмаза значительной локальной концентрации волновой энергии и, как следствие, трансформации (изменения) формы кристалла. В отдельных случаях нами наблюдался локальный выброс в атмосферу материи алмаза при нормальных условиях на тех участках поверхности кристалла, которые не подвергались воздействию инструмента («шуба» отсутствовала).