Уникальные свойства легированных алмазов. Новые открытия российских физиков

Физики из ГНЦ ТИСНУМ и МФТИ получили новые данные об электрических свойствах алмазов, легированных азотом, что открывает перспективы для разработки новых электронных и оптоэлектронных устройств. Этот прорыв является результатом уникальных экспериментов, позволивших измерить ключевые параметры, влияющие на проводимость алмазов.

Ученые и инженеры ценят алмазы за их уникальные прочностные, оптические, тепловые и электрические свойства, которые находят применение в различных наукоемких областях, помимо алмазного инструмента. Например, они используются в мощных рентгеновских лазерах на свободных электронах, источниках СВЧ-излучения (гиротронах) и детекторах высокоэнергетических частиц на ускорителях.

Алмаз является широкозонным полупроводником. Легированные бором и фосфором алмазы используются в компонентах высокопрочной электроники с дырочным и электронным типом проводимости соответственно. В последние годы интерес к алмазам, легированным азотом, значительно возрос из-за их уникальных квантовых характеристик, что особенно важно для квантовой магнитометрии с высокой чувствительностью.

Однако исследования электронных свойств алмазов, легированных азотом, до сих пор ограничены технической сложностью создания экспериментальных образцов высокого качества. Эти алмазы должны быть однородны по концентрации азота и практически не содержать других примесей, а также иметь крупные размеры для проведения прецизионных исследований с помощью эффекта Холла.

«Исследование крупных синтетических монокристаллов алмаза легированных азотом является сложным экспериментом мирового уровня. Данная работа потребовала применения современного высокоточного научного оборудования. У нас в ТИСНУМе и МФТИ все необходимое для этого есть»

— Сергей Буга, доцент кафедры физики и химии наноструктур МФТИ, главный научный сотрудник ГНЦ ТИСНУМ.

Исследователи из ТИСНУМ и МФТИ впервые измерили зависимости удельного сопротивления, концентрации и подвижности свободных электронов от температуры в алмазах, легированных азотом в виде одиночных атомов замещения. Эти алмазы обеспечивают электронный тип проводимости и составляют основную группу синтетических алмазов, производимых в мире. Хотя доля таких алмазов среди всех природных кристаллов составляет лишь 0,1%, современные объемы добычи делают их количество значительным. Полученные фундаментальные зависимости существенно расширяют знания о полупроводниковых свойствах алмазов.

«Любые исследования в этой области, которые раскрывают новые сведения о таком классическом материале, будут полезны при создании новых электронных, оптоэлектронных, квантовых устройств. В России уже разрабатываются светодиоды и фемтосекундные лазеры на основе азот-вакансионных оптических центров в легированных азотом алмазах.»

— Сергей Буга.

Полученные результаты имеют значительный потенциал для развития новых технологий и применения в различных областях науки и техники.