Физики обесцветили искусственный алмаз при помощи света
Российские ученые предложили способ, который позволяет изменять окраску алмазов. Облучая искусственные кристаллы лазером, они смогли точечно обесцветить их за счет влияния на структуру оптически активных центров (центров окраски). Описанный подход в перспективе позволит не только изменять цвет, а значит, и ювелирную ценность алмазов, но также разработать метки для контроля за оборотом драгоценных камней. Результаты работы, поддержанной грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы на страницах журнала Carbon.
Последние десятилетия синтетические алмазы стали отличной альтернативой природным — особенно в области оптоэлектроники и спинтроники. Это связано прежде всего с тем, что свойства синтетических кристаллов можно очень широко изменять, например, сделать их практически идеально чистыми. В этом случае в них предельно мало самых простых (одноатомных и двухатомных) оптически активных центров из атомов азота, в том числе центров окраски. Кроме того, можно изменять их структуру и цвет сколько угодно и там, где это нужно, например, при помощи лазера.
Иногда бывает необходимо выполнить обратную задачу — избавиться от центров окраски видимого диапазона и, таким образом, обесцветить кристалл. Сотрудники Физического института имени П.Н. Лебедева РАН (Москва), ООО «ВЕЛМАН» (Новосибирск), Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова (Москва) и «ИТЭР-Центр» (Москва) продемонстрировали, как можно это сделать.
«Мы воздействовали лазерными импульсами на алмазы красного цвета торговой марки Imperial Red Diamonds, лабораторно выращенных под действием высоких температур и давления — так называемые HPHT-алмазы. Импульсы были очень короткими — всего триллионная доля секунды — и с ультрамалой энергией, но облучали кристалл с большой частотой повторения, так что за несколько минут маленькая точка претерпевала десятки миллионов бережных лазерных воздействий», — объясняет руководитель проекта, поддержанного грантом РНФ, Сергей Кудряшов, доктор физико-математических наук, ведущий научный сотрудник и заведующий Лабораторией лазерной нанофизики и биомедицины ФИАН.
Обработка вызывала точечное, хорошо заметное невооруженным взглядом обесцвечивание. Исследователи проверили свойства соответствующих участков по тому, как они взаимодействуют с разным светом — от ультрафиолетового до среднего инфракрасного. Анализ полученных в результате спектров показал, что обработанные участки существенно хуже поглощают излучение видимого и среднего инфракрасного диапазона, которое обычно «съедают» оптически активные одноатомные и двухатомные азотные центры, а значит, последних стало намного меньше.
Поскольку воздействие оказалось успешным, авторы задались фундаментальным вопросом: за счет каких процессов удалось избавиться от оптически активных центров. Поскольку лазерное воздействие локальное, но довольно интенсивное, можно предположить два сценария. С одной стороны, центры могли разрушиться (диссоциировать) непосредственно под действием лазерного излучения. С другой стороны, они могли соединиться друг с другом (агрегировать) с участием лазерно-генерированных дефектов углеродной решетки алмаза. В обоих случаях оптические свойства алмазов меняются.
Дополнительно исследовались спектральные особенности фотолюминесценции, а именно то, как светились обработанные участки в ответ на воздействие излучением зеленой и синей части спектра. Эксперименты показали, что увеличилось содержание более крупных азотных центров окраски, обладающих поглощением в невидимой для глаза ультрафиолетовой части спектра. При этом уменьшались концентрации одно- и двухатомных азотных центров, которые поглощают во всей видимой области спектра.
Ученые предположили, что с каждым импульсом происходило незначительное локальное повреждение алмазной структуры. Его причина заключается в ионизации атомов углерода и их смещении в поры решетки с образованием вакансий (пустот) и междоузлий. Поскольку структурно-чувствительная спектроскопия комбинационного рассеяния света не показала даже незначительных изменений в углеродной решетке, такие дефекты решетки не накапливаются, а активно взаимодействуют с азотными центрами и присоединяются к ним или же вызывают их агрегацию с соседними центрами. Этот новый процесс является обратным по отношению к ранее обнаруженному этими же исследователями распаду азотных центров под действием лазерно-генерированных вакансий в природных алмазах.
«Наше исследование продемонстрировало, как с помощью лазеров можно изменить окраску, а значит, и свойства искусственного алмаза. Варьируя режимы облучения, мы можем изменить как цвет всего камня, так и создать незаметные глазу, но фиксируемые приборами микро-кодировки внутри алмаза. Это очень важно для разработки инновационных способов контроля за оборотом искусственных алмазов», — рассказывает Сергей Кудряшов.
В сотрудничестве с соавтором статьи Виктором Винсом, доктором физико-математических наук, сотрудником ООО «ВЕЛМАН» исследователи планируют инновационные разработки на базе разработанной для синтетических алмазов технологии.