Optical centers in cubic boron nitride and diamond: remarkable similarities

두 개의 초경도, 초광택 물질이자 광물 세계의 '록 스타'인 다이아몬드와 입방체 질화붕소(cBN)를 상상해 보십시오. 이들은 마치 태어나자 서로 떨어져 놓인 완벽한 쌍둥이와 같습니다. 두 물질 모두 원자들이 완벽하게 맞물려 있는 격자 구조를 가지고 있으며, 녹지 않고도 엄청난 열기를 견뎌낼 수 있고, 믿기 힘들 정도로 강인합니다. 이들은 매우 유사하기 때문에, 과학자들은 만약 한쪽의 구멍을 뚫거나 다른 쪽에 먼지 한 점을 떨어뜨린다면, 두 물질이 거의 똑같이 반응할 것이라고 오랫동안 추측해 왔습니다.

하지만 여기 미스터리가 있습니다. 우리는 다이아몬드 내부의 '흉터'와 '태어날 때의 점'(결함)에 대해 아주 잘 알고 있습니다. 무엇이 다이아몬드를 푸르게 반짝이게 하거나 초록색으로 빛나게 하는지 우리는 정확히 알고 있습니다. 하지만 cBN은 비밀을 간직한 수줍은 사촌과 같습니다. 우리는 그것이 이상한 색으로 빛나는 것을 보지만, 무엇이 그 원인인지는 알지 못합니다. 그것이 빠진 원자인지, 추가된 원자인지, 아니면 특정한 불순물 때문인지 말입니다. 이러한 미세한 결함을 이해하는 것은 매우 중요합니다. 왜냐하면 이를 통해 다이ка몬드처럼 cBN을 양자 컴퓨터나 초고휘도 조명을 위한 첨단 도구로 바꿀 수 있기 때문입니다.

이 논문은 조사관들이 추측을 멈추고 비교를 시작하기로 결정한 탐정 이야기와 같습니다. 연구진은 동일한 고압 오븐에서 동일한 도구와 조건들을 사용하여 다이아몬드와 cBN 결정을 똑같이 키워냈습니다. 이는 마치 두 가지 다른 케이크를 같은 오븐에 넣고 같은 반죽으로 구워 어떻게 부풀어 오르는지 관찰하는 것과 같습니다. 이들을 나란히 놓고 살펴본 결과, cBN의 '흉터'는 다이아몬드의 흉터와 색상만 약간 다를 뿐 사실상 거울을 보는 듯한 대칭 구조라는 것을 발견했습니다.

연구진이 발견한 내용은 다음과 같습니다:

노란색의 미스터리 해결
그들이 키운 많은 cBN 결정은 밝고 화창한 노란색을 띠었습니다. 오랫동안 사람들은 그 이유를 몰랐습니다. 연구진은 이 노란색 지점들에 산소가 많이 포함되어 있다는 것을 발견했습니다. 그들은 산소 원자가 결정 속으로 몰래 들어와 질소 원자의 자리를 차지했다는 사실을 깨달았습니다. 이것은 마치 산소가 질소의 자리에 앉아 결정의 색을 바꾸는 '의자 뺏기 게임'과 같습니다. 이는 질소가 다이아몬드에 노란색을 일으키는 방식과 매우 유사하지만, cBN에서는 산소가 주연 역할을 하고 있습니다.

"방사선" 쌍둥이
연구진이 cBN에 고에너지 입자를 쏘았을 때, RC1과 RC3라고 명명된 새로운 빛나는 지점들이 나타났습니다. 이것들은 다이아몬드에서 유명한 "질소-공석(Nitrogen-Vacancy)" 중심(다이아몬드를 붉거나 초록색으로 빛나게 하는 것들)과 매우 흡사해 보였습니다. 연구진은 이 cBN 지점들이 서로 다른 색의 빛을 받았을 때 빛의 변화를 보인다는 점에 주목했는데, 이는 다이아몬드의 쌍둥이들과 똑같은 모습이었습니다. 연구진은 이것들이 단순히 무작위적인 오류가 아니라, 산소 원자가 질소 원자의 자리를 대신하여 붕소의 빈자리(공석) 바로 옆에 위치한 복합체일 가능성이 높다고 제안합니다. 하나는 '중성' 버전이고, 다른 하나는 '전하를 띤' 버전으로, 다이아몬드의 질소-공석 쌍과 똑같이 작동하지만, 이들은 특정 산소와 붕소 공석의 팀으로 구성되어 있습니다.

니켈과 실리콘의 단서
연구진은 니켈 촉매로 만들어진 결정에서 1.76 eV의 특정한 빛을 발견했습니다. 다이아몬드에서 니켈은 매우 특정한 복잡한 빛의 패턴을 만들어냅니다. cBN 결정 또한 동일한 니켈로 만들어졌기 때문에, 연구진은 이 빛 역시 이전의 일부 사람들이 생각했던 것처럼 질소의 결핍에 의한 것이 아니라 니켈에 의해 발생하는 것이라고 생각합니다.

마찬가지로, 혼합물에 실리콘을 추가했을 때 1.816 eV에서 새로운 빛이 나타났습니다. 다이아몬드에서 실리콘은 '분리 공석(split-vacancy)' 결함(실리콘 원자가 두 자리 사이에 위치하여 주변을 밀어내는 형태)을 만듭니다. 연구진은 cBN의 빛 또한 이와 같다고 제사합니다. 즉, 실리온 원자가 홀로 존재하는 것이 아니라 실리콘 원자와 빈자리가 함께 작용하는 것입니다.

기계 속의 "유령"
마지막으로, 강한 방사선 조사 후에 BN1 센터라고 불리는 기묘하고 날카로운 빛이 나타났습니다. 이것은 주변에서 진동하는 소리 파동(포논)의 독특한 '지문'을 가지고 있었습니다. 이 지문은 다이아몬드에서 격자 간 자리 관련 복합체(원자가 결정의 틈새에 끼어 들어가는 결함)에 의해 발생하는 결함과 일치했습니다. 연구진은 BN1 센터가 단순히 원자가 빠진 것이 아니라, cBN에서의 유사한 격자 간 자리 관련 결함일 것이라고 제안합니다.

거시적 관점
이 논문은 모든 미스터리를 절대적인 확신을 가지고 해결했다고 주장하는 것이 아닙니다. 대신, 매우 강력한 지도를 제공합니다. 만약 당신이 다이아몬드의 결함이 가진 '성격'을 알고 있다면, 그 쌍둥이인 cBN의 '성격'도 짐작할 수 있다는 것입니다. 색상은 약간 다를 수 있지만(약 40~140 meV 정도의 차이), 캐릭터는 동일합니다. 이는 cBN을 이해하는 강력한 새로운 방법을 제시합니다. 그 유명한 쌍둥이인 다이아몬드를 살펴봄으로써, 우리는 마침내 cBN이 빛으로 써 내려간 이야기를 읽기 시작할 수 있습니다.