Os diamantes são lindas pedras preciosas que, graças ao seu brilho e transparência, ficam ótimas em joias, mas os diamantes brutos são muito mais interessantes do ponto de vista científico. As propriedades físicas e químicas do diamante tornaram-no um componente crítico para muitos dispositivos ópticos e eletrônicos.



Uma das áreas promissoras de pesquisa para aplicações tecnológicas do diamante é a metalização da superfície do diamante, que é usada para conferir à superfície do diamante novas características, como condutividade térmica superior, boa estabilidade térmica, melhor molhabilidade e suas propriedades físicas e químicas originais.

Um grupo de cientistas da Skoltech, do Instituto Físico Lebedev da Academia Russa de Ciências e de outras organizações científicas importantes encontrou uma maneira de melhorar a adesão do diamante – a ligação entre o diamante e o metal de transição – usando nióbio. O estudo foi publicado no Journal of Alloys and Compounds .

“O diamante tem duas limitações relacionadas à síntese de substrato de diamante de grande porte e à má adesão dos contatos metálicos à superfície do diamante. Por exemplo, quando trabalhamos em detectores de radiação ionizante e aplicamos contatos feitos de ouro e outros materiais, a adesão de esses contatos com o diamante eram muito ruins. Nesse ponto, nos perguntamos como poderíamos superar essa adesão tão fraca", explicou Stanislav Evlashin, coautor do estudo e professor assistente no Centro de Materiais da Skoltech.

Uma das maneiras mais eficazes de metalizar diamantes é sinterizá-los com metais como titânio, cromo, tântalo, zircônio e outros. Quando eles interagem com o carbono, uma camada de carboneto metálico é formada. Os autores do estudo escolheram o nióbio devido à sua capacidade de formar filmes quimicamente estáveis ​​de carbonetos de nióbio na superfície do diamante.

“Tentamos criar um supercondutor na superfície do diamante e percebemos que se depositarmos nióbio nele e depois recozê-lo, as seguintes transformações de fase ocorrerão durante o recozimento:o filme de nióbio após o aquecimento se transforma no composto Nb₂C, e após aquecimento adicional acima de 1200 graus - em NbC", continua Stanislav Evlashin.

"Cálculos teóricos da rede constante do carboneto de nióbio dependendo da concentração de defeitos de carbono - muitas vezes no experimento há uma deficiência de carbono - mostraram que o método utilizado de síntese de carboneto de nióbio em diamante permite obter carboneto de nióbio de alta qualidade com um parâmetro de rede próximo ao material livre de defeitos", disse Alexander Kvashnin, coautor do estudo e professor do Centro de Transição Energética.

"Cálculos das características supercondutoras do carboneto de nióbio mostraram uma transição supercondutora a uma temperatura de 19,4 K, que se revelou próxima do valor medido experimentalmente. Os resultados também indicam a alta qualidade do filme obtido experimentalmente."

"Notavelmente, a baixa concentração de defeitos no filme de carboneto de nióbio obtido leva a valores suficientemente elevados de difusão de elétrons, em comparação com outras ligas à base de nióbio. E isso, juntamente com as características supercondutoras observadas, é de interesse prático para dispositivos de detecção quântica, " acrescentou Anna Kolbatova, coautora do estudo e cientista pesquisadora da Universidade Estadual Pedagógica de Moscou.

Os pesquisadores provaram que a camada de carboneto de nióbio obtida possui características supercondutoras. Se este filme for aplicado na superfície do diamante, será possível criar detectores supersensíveis devido à sua alta condutividade térmica. A alta condutividade térmica do diamante ajudará a detectar sinais – isso aconteceria muito mais rápido do que com outros materiais.

O estudo envolveu dois projetos. O primeiro projeto, “Investigação do efeito dos elementos de liga nas características eletroquímicas de materiais de carbono nanoestruturados para a criação de fontes de corrente promissoras”, visa obter resultados que possam ser utilizados para criar fontes eletroquímicas de nova geração. O segundo projeto, “Uma nova geração de detectores quânticos e fontes de fótons únicos baseados em estruturas bidimensionais de Van der Waals”, busca desenvolver dispositivos para detecção quântica, que deverão superar os tradicionais.

Entre aqueles que também contribuíram para o estudo estão Julia Bondareva, Fedor Fedorov, Alexander Egorov e Nikita Matsokin.

Mais informações: R.A. Khmelnitsky et al, Síntese e caracterização de filmes finos de carboneto de nióbio na superfície de diamante para aplicação supercondutora, Journal of Alloys and Compounds (2023). DOI:10.1016/j.jallcom.2023.173266.
Fornecido pelo Instituto Skolkovo de Ciência e Tecnologia