Optical centers in cubic boron nitride and diamond: remarkable similarities

Stellen Sie sich zwei superharte, superglänzende Materialien vor, die die „Rockstars“ der Mineralwelt sind: Diamant und kubisches Bornitrid (cBN). Betrachten Sie sie als die ultimativen Zwillinge, die bei der Geburt getrennt wurden. Beide besitzen eine Kristallstruktur, die wie ein perfektes, ineinandergreifendes Gitter aus Atomen aussieht, sie können extremer Hitze standhalten, ohne zu schmelzen, und sie sind unglaublich zäh. Da sie sich so ähnlich sind, vermuteten Wissenschaftler schon lange, dass, wenn man in den einen ein Loch bohrt oder einen Staubkorn in den anderen fallen lässt, sie fast auf exakt dieselbe Weise reagieren sollten.

Doch hier liegt das Mysterium: Wir wissen viel über die „Narben“ und „Muttermale“ (Defekte) im Inneren von Diamanten. Wir wissen genau, was einen Diamanten blau funkeln oder grün leuchten lässt. Aber cBN ist wie ein schüchterner Cousin, der seine Geheimnisse hütet. Wir sehen es in seltsamen Farben leuchten, aber wir wissen nicht, was die Ursache dafür ist. Ist es ein fehlendes Atom? Ein zusätzliches Atom? Eine spezifische Verunreinigung? Herauszufinden, was diese winzigen Fehler verursacht, ist wichtig, weil wir cBN in ein Hightech-Werkzeug für Quantencomputer oder ultrahelle Lichter verwandeln könnten, genau wie wir es mit Diamanten tun.

Dieses Papier ist wie eine Detektivgeschichte, in der die Ermittler beschließen, aufzuhören zu raten und stattdessen zu vergleichen. Die Forscher züchteten sowohl Diamant- als auch cBN-Kristalle im exakt gleichen Hochdruckofen, unter Verwendung derselben Werkzeuge und Bedingungen. Es ist, als würde man zwei verschiedene Kuchen im selben Ofen mit demselben Teig backen, um zu sehen, wie sie aufgehen. Durch den direkten Vergleich fanden sie heraus, dass die „Narben“ in cBN tatsächlich Spiegelbilder der Narben in Diamant sind, nur leicht in der Farbe verschoben.

Hier ist, was sie entdeckten:

Das Gelbe Rätsel gelöst
Viele der von ihnen gezüchteten cBN-Kristalle waren leuchtend gelb. Lange Zeit wusste niemand, warum. Die Forscher fanden heraus, dass in diesen gelben Stellen sehr viel Sauerstoff vorhanden war. Sie erkannten, dass ein Sauerstoffatom in den Kristall geschlüpft war und den Platz eines Stickstoffatoms eingenommen hatte. Es ist wie ein Spiel namens „Musical Chairs“, bei dem der Sauerstoff auf dem Platz des Stickstoffs Platz genommen hat und dadurch die Farbe des Kristalls verändert hat. Dies ähnelt sehr der Art und Weise, wie Stickstoff gelbe Farben in Diamanten verursacht, aber bei cBN spielt der Sauerstoff die Hauptrolle.

Die „Strahlungs“-Zwillinge
Als sie das cBN mit hochenergetischen Teilchen beschossen, erschienen neue leuchtende Punkte, die als RC1 und RC3 bezeichnet wurden. Diese sahen verdächtig nach den berühmten „Stickstoff-Vakanz“-Zentren in Diamanten aus (denen, die Diamanten rot oder grün leuchten lassen). Die Forscher bemerkten, dass sich diese cBN-Punkte änderten, wenn sie mit verschiedenfarbigem Licht bestrahlt wurden, genau wie ihre Diamant-Cousins. Sie legen nahe, dass dies nicht nur zufällige Fehler sind; es handelt sich wahrscheinlich um einen Komplex, bei dem ein Sauerstoffatom den Platz eines Stickstoffatoms eingenommen hat und direkt neben einem fehlenden Bor-Atom (einer Vakanz) sitzt. Einer ist die „neutrale“ Version und der andere die „geladene“ Version, die exakt wie die Stickstoff-Vakanz-Paare in Diamanten agieren, aber mit diesem speziellen Sauerstoff-und-Bor-Vakanz-Team.

Die Nickel- und Silizium-Hinweise
Sie fanden auch ein spezifisches Leuchten bei 1,76 eV in Kristallen, die mit einem Nickel-Katalysator hergestellt wurden. In Diamanten erzeugt Nickel ein sehr spezifisches, komplexes Lichtmuster. Da die cBN-Kristalle mit demselben Nickel hergestellt wurden, glauben die Forscher, dass dieses Leuchten ebenfalls durch Nickel verursacht wird und nicht, wie zuvor angenommen, durch ein fehlendes Stickstoffatom.

Ähnlich verhält es sich, als sie Silizium zur Mischung hinzufügten; ein neues Leuchten bei 1,816 eV erschien. In Diamanten erzeugt Silizium einen „Split-Vacancy“-Defekt (bei dem das Siliziumatom zwischen zwei Plätzen sitzt und diese auseinanderdrückt). Die Forscher schlagen vor, dass das cBN-Leuchten dasselbe ist: ein Siliziumatom und eine fehlende Stelle, die zusammenarbeiten, anstatt dass ein Siliziumatom einfach alleine dort sitzt.

Der „Geist“ in der Maschine
Schließlich gab es ein seltsames, scharfes Leuchten, das BN1-Zentrum, das nach starker Bestrahlung auftrat. Es besaß einen einzigartigen „Fingerabdruck“ aus Schallwellen (Phononen), die darum herum vibrierten. Dieser Fingerabdruck entsprach einem Defekt in Diamanten, der durch einen Interstitial-bezogenen Komplex verursacht wird (ein Defekt, bei dem ein Atom in die Lücken des Kristalls hineingequetscht wird). Die Forscher schlagen vor, dass das BN1-Zentrum ein ähnlicher interstitial-bezogener Defekt in cBN ist, und nicht bloß ein fehlender Defekt.

Das große Ganze
Das Papier behauptet nicht, jedes einzelne Rätsel mit absoluter Gewissheit gelöst zu haben. Stattdessen bietet es eine sehr starke Karte. Es legt nahe, dass, wenn man die „Persönlichkeit“ eines Defekts in Diamant kennt, man die „Persönlichkeit“ seines Zwillings in cBN erraten kann. Die Farben mögen etwas anders sein (um etwa 40 bis 140 meV verschoben), aber die Charaktere sind dieselben. Dies gibt Wissenschaftlern einen leistungsstarken neuen Weg, um cBN zu verstehen: Indem sie die Geschichte lesen, die durch den berühmten Zwilling Diamant geschrieben wurde, können sie endlich auch die Geschichte lesen, die im Licht von kubischem Bornitrid geschrieben steht.