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 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.
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 , 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.