Optical centers in cubic boron nitride and diamond: remarkable similarities

Stel je twee superharde, superglanzende materialen voor die de "rocksterren" van de mineraalwereld zijn: diamant en kubisch boornitride (cBN). Zie ze als de ultieme tweelingen die gescheiden zijn bij de geboorte. Ze hebben beide een kristalstructuur die lijkt op een perfect, in elkaar grijpend rooster van atomen, ze kunnen verzengende hitte weerstaan zonder te smelten, en ze zijn ongelooflijk taai. Omdat ze zo vergelijkbaar zijn, vermoedden wetenschappers al lang dat als je in de één een gat prikt of een stofje in de ander laat vallen, ze bijna op exact dezelfde manier zouden reageren.

Maar hier is het mysterie: we weten veel over de "littekens" en "geboortevlekken" (defecten) in diamanten. We weten precies wat een diamant blauw doet schitteren of groen doet gloeien. Maar cBN is als een verlegen neefje die zijn geheimen bewaart. We zien het in vreemde kleuren gloeien, maar we weten niet wat de oorzaak is. Is het een ontbrekend atoom? Een extra atoom? Een specifiek type onzuiverheid? Het begrijpen van deze minuscule imperfecties is belangrijk omdat we cBN zouden kunnen transformeren tot een hightech instrument voor kwantumcomputers of ultraheldere lampen, net zoals we met diamanten hebben gedaan.

Dit artikel is als een detectiveverhaal waarin de onderzoekers besluiten te stoppen met gissen en te beginnen met vergelijken. De onderzoekers groeiden zowel diamant- als cBN-kristallen in exact hetzelfde hoge-drukoven, met dezelfde instrumenten en onder dezelfde omstandigheden. Het is alsof je twee verschillende taarten bakt in dezelfde oven met hetzelfde beslag om te zien hoe ze rijzen. Door ze zij aan zij te bekijken, ontdekten ze dat de "littekens" in cBN eigenlijk spiegelbeelden zijn van de littekens in diamant, alleen iets verschoven in kleur.

Dit is wat ze ontdekten:

Het geel mysterie opgelost
Veel van de cBN-kristallen die ze kweekten, waren helder, zonnig geel. Lange tijd wist niemand waarom. De onderzoekers ontdekten dat er in deze gele plekken veel zuurstof aanwezig was. Ze realiseerden zich dat een zuurstofatoom in de kristal was geslopen en de plaats van een stikstofatoom had ingenomen. Het is als een spelletjes stoelendans waarbij de zuurstof in de stoel van de stikstof is gaan zitten, wat de kleur van het kristal verandert. Dit is zeer vergelijkbaar met hoe stikstof voor gele kleuren in diamanten zorgt, maar dan met zuurstof die de hoofdrol speelt in cBN.

De "stralings" tweelingen
Toen ze de cBN beschoten met hoogenergetische deeltjes, verschenen er nieuwe gloeiende plekken, aangeduid als RC1 en RC3. Deze zagen er verdacht veel uit als de beroemde "stikstof-vacature" centra in diamanten (deze die diamanten rood of groen laten gloeien). De onderzoekers merkten op dat deze cBN-plekken van gloed veranderden wanneer ze werden geraakt door verschillende kleuren licht, net als hun diamantneefjes. Ze suggereren dat dit geen willekeurige foutjes zijn; het zijn waarschijnlijk complexen waarbij een zuurstofatoom de plaats van een stikstofatoom heeft ingenomen, vlak naast een ontbrekend boornatoom (een vacature). De één is de "neutrale" versie, en de andere is de "geladen" versie, die exact functioneren als de stikstof-vacatureparen in diamanten, maar dan met dit specifieke zuurstof-en-boornvacature-team.

De nikkel- en silicium aanwijzingen
Ze vonden ook een specifieke gloed bij 1,76 eV in kristallen gemaakt met een nikkelkatalysator. In diamanten creëert nikkel een zeer specifiek, complex patroon van licht. Omdat de cBN-kristallen met hetzelfde nikkel waren gemaakt, denken de onderzoekers dat deze gloed ook door nikkel wordt veroorzaakt, en niet door een ontbrekend stikstofatoom zoals sommigen eerder dachten.

Hetzelfde geldt voor silicium: wanneer ze silicium aan de mix toevoegden, verscheen er een nieuwe gloed bij 1,816 eV. In diamanten creëert silicium een "split-vacancy" defect (waarbij het siliciumatoom tussen twee plekken zit en deze uit elkaar duwt). De onderzoekers suggereren dat de cBN-gloed hetzelfde is: een siliciumatoom en een ontbrekende plek die samenwerken, in plaats van alleen een siliciumatoom dat daar maar wat zit.

De "Geest" in de machine
Ten slotte was er een vreemde, scherpe gloed genaamd het BN1-centrum die verscheen na zware bestraling. Het had een unieke "vingerafdruk" van geluidsgolven (fononen) die eromheen trilden. Deze vingerafdruk kwam overeen met een defect in diamanten veroorzaakt door een interstitieel-gerelateerd complex (een defect waarbij een atoom in de tussenruimtes van het kristal is gepropt). De onderzoekers stellen voor dat het BN1-centrum waarschijnlijk een soortgelijke interstitieel-gerelateerde defect is in cBN, in plaats van alleen maar een ontbrekend defect.

Het grote plaatje
Het artikel beweert niet dat het elk mysterie met absolute zekerheid heeft opgelost. In plaats daarvan biedt het een zeer sterk landkaart. Het suggereert dat als je de "persoonlijkheid" van een defect in diamant kent, je de "persoonlijkheid" van zijn tweeling in cBN kunt raden. De kleuren kunnen iets verschillend zijn (verschoven met ongeveer 40 tot 140 meV), maar de karakters zijn hetzelfde. Dit geeft wetenschappers een krachtige nieuwe manier om cBN te begrijpen: door naar de beroemde tweeling, diamant, te kijken, kunnen ze eindelijk het verhaal lezen dat geschreven staat in het licht van kubisch boornitride.