stringtranslate.com

Аморфный углерод

Аморфный углерод — это свободный химически активный углерод, не имеющий кристаллической структуры . Аморфные углеродные материалы можно стабилизировать путем разрыва оборванных π- связей водородом . Как и в других аморфных твердых телах , можно наблюдать некоторый ближний порядок. Аморфный углерод часто сокращается до aC для обычного аморфного углерода, aC:H или HAC для гидрогенизированного аморфного углерода или до ta-C для тетраэдрического аморфного углерода (также называемого алмазоподобным углеродом ). [1]

В минералогии

В минералогии аморфный углерод — это название угля , углерода, полученного из карбидов , и других нечистых форм углерода, которые не являются ни графитом, ни алмазом. Однако в кристаллографическом смысле эти материалы не являются полностью аморфными, а скорее поликристаллическими материалами графита или алмаза [2] внутри аморфной углеродной матрицы . Технический углерод также обычно содержит значительные количества других элементов, которые также могут образовывать кристаллические примеси.

В современной науке

С развитием во второй половине 20-го века современных технологий осаждения и выращивания тонких пленок, таких как химическое осаждение из паровой фазы , осаждение распылением и катодно-дуговое осаждение , стало возможным изготавливать по-настоящему аморфные углеродные материалы.

Истинный аморфный углерод имеет локализованные π-электроны (в отличие от ароматических π-связей в графите), и его связи образуются с длинами и расстояниями, которые несовместимы с любой другой аллотропной формой углерода . Он также содержит высокую концентрацию оборванных связей; это вызывает отклонения межатомного расстояния (измеренные с помощью дифракции ) более чем на 5%, а также заметное изменение валентного угла. [2]

Свойства аморфных углеродных пленок изменяются в зависимости от параметров, используемых при осаждении. Основной метод характеристики аморфного углерода заключается в определении соотношения гибридизованных связей sp 2 и sp 3 , присутствующих в материале. Графит состоит исключительно из гибридизованных связей sp2 , тогда как алмаз состоит исключительно из гибридизованных связей sp3 . Материалы с высоким содержанием гибридизованных связей sp3 называются тетраэдрическим аморфным углеродом из-за тетраэдрической формы, образованной гибридизованными связями sp3 , или алмазоподобным углеродом (из-за сходства многих физических свойств со свойствами алмаза) .

Экспериментально отношения sp 2 и sp 3 можно определить путем сравнения относительных интенсивностей различных спектроскопических пиков (включая EELS , XPS и рамановскую спектроскопию ) с ожидаемыми для графита или алмаза. В теоретических работах отношения sp 2 и sp 3 часто получают путем подсчета числа атомов углерода с тремя связанными соседями по сравнению с числом атомов углерода с четырьмя связанными соседями. (Этот метод требует выбора несколько произвольной метрики для определения того, считаются ли соседние атомы связанными или нет, и поэтому используется просто как показатель относительного соотношения sp 2 -sp 3. )

Хотя может показаться, что характеристика аморфных углеродных материалов соотношением sp 2 -sp 3 указывает на одномерный диапазон свойств между графитом и алмазом, это определенно не так. В настоящее время продолжаются исследования способов охарактеризовать и расширить диапазон свойств, предлагаемых аморфными углеродными материалами.

Все практические формы гидрогенизированного углерода (например, дым, дымовая сажа, добытый уголь, такой как битум и антрацит) содержат большое количество полициклических ароматических углеводородных смол и поэтому почти наверняка канцерогенны.

Q-углерод

Q-углерод , сокращение от закаленного углерода, считается типом аморфного углерода, который является ферромагнитным , электропроводящим , более твердым , чем алмаз [3] и способным проявлять высокотемпературную сверхпроводимость . [4] Исследовательская группа под руководством профессора Джагдиша Нараяна и аспиранта Аны Бхаумик из Университета штата Северная Каролина объявила об открытии Q-углерода в 2015 году . [5] Они опубликовали множество статей по синтезу и характеристике Q-углерода, [ 6] , но годы спустя независимого экспериментального подтверждения этого вещества и его свойств нет.

По мнению исследователей, Q-углерод демонстрирует случайную аморфную структуру, которая представляет собой смесь трехсторонней (sp 2 ) и четырехсторонней (sp 3 ) связей , а не однородной sp 3 связи, наблюдаемой в алмазах. [7] Углерод плавится с помощью наносекундных лазерных импульсов, а затем быстро закаливается с образованием Q-углерода или смеси Q-углерода и алмаза. Q-углерод может принимать различные формы: от наноигл до алмазных пленок большой площади. Исследователи также сообщили о создании азот-вакансионных наноалмазов [8] и Q- нитрида бора (Q-BN), а также о превращении углерода в алмаз и h-BN в c-BN [9] при температуре окружающей среды и воздуха. давления. [10] Группа получила патенты на q-материалы и намеревалась коммерциализировать их. [11]

В 2018 году команда Техасского университета в Остине использовала моделирование, чтобы предложить теоретические объяснения заявленных свойств Q-углерода, включая рекордную высокотемпературную сверхпроводимость, ферромагнетизм и твердость. [12] [13] Однако их моделирование не было проверено другими исследователями.

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Робертсон, Дж. (1986). «Аморфный углерод». Достижения физики . 35 (4): 317–374. Бибкод : 1986AdPhy..35..317R. дои : 10.1080/00018738600101911.
  2. ^ ab IUPAC , Сборник химической терминологии , 2-е изд. («Золотая книга») (1997). Исправленная онлайн-версия: (2006–) «алмазоподобные углеродные пленки». дои :10.1351/goldbook.D01673
  3. ^ Нараян, Джагдиш; Гупта, Сиддхартх; Бхаумик, Ана; Сачан, Ритеш; Челлини, Филиппо; Риедо, Элиза (2018). «Q-углерод тверже алмаза». МРС Коммуникации . 8 (2): 428–436. дои : 10.1557/mrc.2018.35. ISSN  2159-6859.
  4. ^ Бромвич, Иона (3 декабря 2015 г.). «Новое вещество тверже алмаза, говорят ученые». Нью-Йорк Таймс . ISSN  0362-4331 . Проверено 22 сентября 2019 г.
  5. ^ Нараян, Джагдиш; Бхаумик, Ана (07 декабря 2015 г.). «Новая фаза углерода, ферромагнетизма и превращения в алмаз». Журнал прикладной физики . 118 (21): 215303. Бибкод : 2015JAP...118u5303N. дои : 10.1063/1.4936595. ISSN  0021-8979.
  6. ^ «Исследователи нашли новую фазу углерода и создали алмаз при комнатной температуре» . Проверено 22 сентября 2019 г.
  7. ^ «Q-carbon тверже алмаза, его невероятно просто изготовить | ExtremeTech» . ЭкстримТех . Проверено 22 сентября 2019 г.
  8. ^ Нараян, Джагдиш; Бхаумик, Ана (2 ноября 2016 г.). «Новый синтез и свойства чистых и легированных NV наноалмазов и других наноструктур». Письма об исследованиях материалов . 5 (4): 242–250. дои : 10.1080/21663831.2016.1249805 . ISSN  2166-3831.
  9. ^ Нараян, Джагдиш; Бхаумик, Ана (февраль 2016 г.). «Обновление исследования: прямое преобразование h-BN в чистый c-BN при температуре окружающей среды и давлении воздуха». Материалы АПЛ . 4 (2): 020701. Бибкод : 2016APLM....4b0701N. дои : 10.1063/1.4941095 . ISSN  2166-532X.
  10. ^ Нараян, Джагдиш; Бхаумик, Ана; Гупта, Сиддхартх; Хак, Арифул; Сачан, Ритеш (6 апреля 2018 г.). «Прогресс в области Q-углерода и родственных ему материалов с исключительными свойствами». Письма об исследованиях материалов . 6 (7): 353–364. дои : 10.1080/21663831.2018.1458753 . ISSN  2166-3831.
  11. ^ Гупта, Сиддхарт; Сачан, Ритеш; Бхаумик, Ана; Пант, Пунам; Нараян, Джагдиш (июнь 2018 г.). «Переохлаждение стимулировало рост Q-углерода, алмаза и графита». МРС Коммуникации . 8 (2): 533–540. дои : 10.1557/mrc.2018.76. ISSN  2159-6859.
  12. ^ Сакаи, Юки; Челиковский, Джеймс Р.; Коэн, Марвин Л. (01 февраля 2018 г.). «Моделирование эффекта легирования бором в сверхпроводящий углерод». Физический обзор B . 97 (5): 054501. arXiv : 1709.07125 . Бибкод : 2018PhRvB..97e4501S. doi : 10.1103/PhysRevB.97.054501. S2CID  103252354.
  13. ^ Сакаи, Юки; Челиковский, Джеймс Р.; Коэн, Марвин Л. (13 июля 2018 г.). «Магнетизм в аморфном углероде». Материалы физического обзора . 2 (7): 074403. arXiv : 1803.11336 . Бибкод : 2018PhRvM...2g4403S. doi : 10.1103/PhysRevMaterials.2.074403. S2CID  103093007.