Experimentální měření energetických podmínek diamantové nukleace odhaluje klasické i neklasické rysy

Autoři

M. A. Gebbie, H. Ishiwata, P. J. McQuade, V. Petrák, A. Taylor, Ch. Freiwald, J. E. Dahl, R. M. K. Carlson, A. A. Fokin, P. R. Schreiner, Z. X. Shen, M. Nesládek, N. A. Melosh

Laboratoř / Oddělení
Oddělení funkčních materiálů
Citace
Proceeding of the National Academy of Sciences of the United States of America …
DOI
10.1073/pnas.1803654115
Rok
2018

Nukleace je omezujícím krokem pro termodynamické fázové přechody. Zatímco klasické modely předpovídají, že nukleace by měla být extrémně vzácná, nukleace je překvapivě rychlá při syntéze diamantu, křemíku či jiných průmyslových materiálů z plynné fáze. Vyvinuli jsme metodu pro měření nukleačních podmínek pomocí atomově definovaných prekurzorů a zjistili jsme, že kritický diamantový zárodek neobsahuje žádné objemové atomy, což vede k nukleační bariéře, která je o čtyři řády nižší než předchozí odhady. Naše zjištění naznačují, že metastabilní molekulární prekurzory hrají klíčovou roli ve snižování nukleačních bariér během syntézy materiálů a poskytují kvantitativní podporu nedávným teoretickým návrhům vícestupňových nukleačních cest s mnohem nižšími bariérami, než předpovídala klasická nukleační teorie.

8-2018.jpg
Schéma diamantové nukleační reakce: (a) Nukleace kondenzovaných uhlíkových fází z přesycených uhlíkových par, (b) dvoustupňový mechanismus růstu diamantu. Nukleace kondenzovaných uhlíkových fází z přesycených uhlíkových par, kde relativní chemické potenciály jsou na uhlíkový atom se dvěma odlišnými stavy: μpára a μpevná fáze. Odhadování nukleačních bariér z objemové energie štěpení vede k bariéře větší než 1000 kBT za podmínek PECVD metody; tento přístup předpokládá, že nukleace je jednostupňový proces v objemové krystalické diamantové fázi. Naopak, změřená nukleační bariéra je řádově několik kBT. Dvoustupňový mechanismus růstu diamantu je nejjednodušší příklad vícestupňové diamantové nukleace a růstové dráhy, se třemi odlišnými stavy: μpára a μpovrch a μobjem. Kritický zárodek je složen pouze z povrchových atomů s vazbou podobnou diamantové, což vyžaduje další objemový transformační krok k vytvoření objemu diamantu. Přesycení uhlíkem v plazmě pohání nukleaci, a nukleační bariéra je určena mezifázovou energií jádra a plazmy, která je silně ovlivněna zakončením povrchu diamantu.