ダイヤモンド冷陰極、針状ダイヤ結晶の発光特性

M.V.ロモノーソフ・モスクワ国立総合大学の物理学者達が、マイクロメーターサイズの正角錐の形をしたダイヤモンド結晶を獲得しています。さらに、ロシアと国外の研究センターの同僚達と協力して、彼等は、獲得したダイヤモンド結晶の冷光と電子放出特性も研究しています。その研究結果は、代表的な論文審査のある学術専門誌に掲載された一連の論文の中で説明され、最も最近の結果が、Scientific Reports誌に掲載されました。

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ダイヤモンド結晶の発光特性

Diamonds are technologists’ best friends

ロモノーソフ記念モスクワ国立総合大学物理学部の研究者が、ミクロンサイズの針状・糸状ダイヤモンドクリスタルの構造的特性、それらの発光特徴や電界電子放出の効率性との相互関係を説明しています。そういった糸状ダイヤモンド結晶の発光特性は、色々な種類のセンサー、量子光デバイス、また、量子コンピュータの基礎エレメント作成や科学やテクノロジーにおける他の分野で利用される可能性があるかもしれません。

女性と技術者の一番の親友

ブリリアンカットの宝石は、天然のままのダイヤを磨き、若い女性達の一番の親友として賛美されています。さまざまな工業プロセスでの幅広いダイヤの利用が、一般の人々の間では比較的知られていません。しかし、ダイヤの技術的応用は、それらの宝飾利用をはるかに上回り、量と応用範囲の多様性強化の両面でコンスタントに増えています。そういった高い応用重要性が、ダイヤモンド合成と加工や必要な機能を付与するための新しい方法の綿密な仕上げで忙しい研究者達の変わらぬ動機になっていることが分かっています。

多くの技術開発のために解決されなければならない問題の1つが、針状・糸状ダイヤモンド結晶の製造です。そういった原型天然・合成ダイヤの成形は、ブリリアンカットの宝石生産の間にするのと同じように人力(研磨)によって可能です。他の方法は、大きいサイズの結晶から必要な形の断片を分離するための、リソグラフィやイオンビーム技術の利用を示唆していますが、その種の切削技術は非常に高額で常に許容されるとは限りません。

アレクサンダー・オブラスツォフ教授の指導の下、ロモノーソフ・モスクワ国立総合大学物理学部で研究している、研究者チームは、針状・糸状形状の微小ダイヤ結晶(晶子)の大量生産を可能にする技術を提案しています。この方面での研究の間に得られた最初の結果が、Diamond & Related Materials誌に7年前に掲載されました。

ロモノーソフ記念モスクワ国立総合大学物理学部高分子・結晶物理学科教授、物理学・数学博士で主要研究著者のアレクサンダー・オブラスツォフ氏が、以下のコメントをシェアしています。”提案された技術は、細長い円柱形状の晶子からの多結晶膜形成を決める有名な規則性の利用を含んでいます。例えば、湖面上の氷は、大抵、そういった、融解中に観測可能な微結晶で構成されています。通常、ダイヤモンド多結晶膜製造中、その膜を構成している円柱形状の結晶子が、高密度の均質な構造体を作り出すように互いにしっかりと結び付くのを可能にするような条件を提供するのに苦労します。”と彼は言ってます。

ダイヤ以外全て気体化

ロモノーソフモスクワ国立総合大学の研究者達は、互いに結び付いていない個々の結晶子で構成されているために粗悪品と過去に判断されたダイヤ膜が、今は、正角錐形の針状・糸状成長の形でダイヤの生産に使えることを証明しています。これを実現するために、空気中か他の有酸素環境で一定の温度まで当該フィルムを熱する必要があります。熱せられると、フィルム材の一部が酸化・気化し始めます。酸化温度が炭素材特性に依存し、ダイヤ結晶子酸化が最高温度を必要としているという事実によって、こういったダイヤモンド結晶子を除いた全物質が気化するように、この温度を調整することが可能です。この比較的単純な技術が、規定の構造特性を持つ多結晶ダイヤモンド膜の生産とそれらを空気中で熱することを組み合わせています。それは、さまざまな形状(針や糸状の物など)のダイヤモンド結晶子の大量生産を可能にしています。前記の結晶子に関するいくつかのアイデアが、電子顕微鏡画像から得られます。その結晶子は、例えば、高精度加工用カッター、走査型顕微鏡用圧子や探触子用の高硬度素子として利用できるかもしれません。そういったアプリケーションが、以前、今回のチームによって、Review of Scientific Instruments誌に掲載された論文中に記述されています。現在、この技術を使って生産された全ての探触子が、商業的に提供されています。

ダイヤの実用的特性の管理

ロモノーソフ・モスクワ国立総合大学物理学部で行われた追跡調査と開発の間に、初期の技術は、針状結晶子の形と大きさを多様化し、それらの応用が期待される分野を拡張するものを大幅に向上しています。研究者は、かなりの基本的な科学的・実用的利益を有するダイヤモンドの光学的性質に注目しています。これらの研究の結果は、Luminescence誌とNanotechnology誌, Scientific Reports誌の一連の論文で説明されています。

These recent publications describe structural peculiarities of such diamond crystallites and their interrelation with luminescence features and efficiency of field electron emission. As it is mentioned by the researchers, the latter is, probably, the first example of genuine diamond field-emission (or cold) cathode realization. Many efforts have been made for its obtaining and studying of such kind of cathodes for the last two decades. Luminescence properties of the needle-like diamond crystals could be applied in different types of sensors, quantum optical devices and also in creation of element base for quantum computers and in other areas of science and technology.

「これら最近の発表が、前記ダイヤ結晶子の構造的特性や、発光特性と電界電子放出の効率性とのそれらの相互関係を説明してくれています。研究者達によって言及されているように、後者(電界電子放出の効率性)は、恐らく、正真正銘のダイヤモンド電界放出(冷)陰極実現の初めての実例です。多くの試みが、過去20年間、それの獲得とその種の陰極の研究のためになされてきています。針状ダイヤ結晶の発光特性は、さまざまなタイプのセンサー、量子光デバイス、また、量子コンピュータの基礎エレメント作成や科学やテクノロジーにおける他の分野で利用される可能性を秘めています。」

今回発表された研究論文の中で、ダイヤモンド冷陰極の最初の実例が示されているようです。何気に凄いことなんじゃないでしょうか。針状(糸状)ダイヤモンド結晶の大量生産も可能になっていて、一部のアプリで商用利用も既に開始されているようなので、今後さらに研究が進めば、量子計算分野でも応用されるかもしれません。楽しみです。

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