Optical centers in cubic boron nitride and diamond: remarkable similarities

想象一下两种超硬、超闪亮的材料，它们是矿物界的“摇滚明星”：钻石和立方氮化硼（cBN）。把它们想象成一对被分离开来的完美双胞胎。它们都拥有相同的晶体结构，看起来就像由原子组成的完美、交错的网格；它们能承受灼热的高温而不熔化，而且极其坚韧。因为它们如此相似，科学家们长期以来一直怀疑，如果在一个上面钻个孔，或者在另一个里面丢进一粒尘埃，它们的反应应该几乎完全一样。

但这里有一个谜团：我们对钻石内部的“伤痕”和“胎记”（缺陷）了解得非常透彻。我们确切知道是什么让钻石闪烁着蓝色或发出绿色光芒。但 cBN 却像是一个守口如瓶的害羞表亲，隐藏着它的秘密。我们看到它发出奇怪颜色的光，却不知道这是由什么引起的。是一个缺失的原子？是一个多出来的原子？还是某种特定的杂质？弄清楚这些微小的缺陷至关重要，因为如果我们能理解这些缺陷，我们就能像对待钻石那样，将 cBN 转变为量子计算机或超亮灯光的尖端工具。

这篇论文就像是一个侦探故事，调查人员决定不再靠猜测，而是开始进行对比。研究人员在完全相同的压力炉中，使用相同的工具和条件，同时生长了钻石和 cBN 晶体。这就像是在同一个烤箱里，用同样的面糊烤制两个不同的蛋糕，看看它们会如何膨胀。通过将它们并排观察，他们发现 cBN 中的“伤痕”实际上是钻石中伤痕的镜像，只是颜色略有偏移。

以下是他们的发现：

黄色之谜的破解
他们生长的许多 cBN 晶体呈现出明亮的阳光黄。长期以来，人们一直不知道原因。研究人员发现，在这些黄色区域，存在大量的氧。他们意识到，一个氧原子溜进了晶体，取代了一个氮原子的位置。这就像是一场“抢椅子”的游戏，氧原子坐在了氮原子的位子上，从而改变了晶体的颜色。这与氮元素导致钻石呈现黄色颜色的原理非常相似，只不过在 cBN 中，扮演主角的是氧。

“辐射”双胞胎
当他们用高能粒子轰击 cBN 时，出现了新的发光点，标记为 RC1 和 RC3。这些点看起来非常可疑，极像钻石中著名的“氮-空位”中心（即那些让钻石发出红光或绿光的部分）。研究人员注意到，这些 c랩（cBN）斑点在受到不同颜色光的照射时，其发光特性会发生变化，就像它们的钻石表亲一样。他们认为，这些不仅仅是随机的故障；它们很可能是一个复杂的结构，其中一个氧原子取代了一个氮原子，并紧挨着一个缺失的硼原子（空位）。一个是“中性”版本，另一个是“带电”版本，它们表现得完全就像钻石中的氮-空位对一样，只不过是由这个特定的“氧与硼空位”组合构成的。

镍与硅的线索
他们还发现，在由镍催化剂制成的晶体中，存在一个 1.76 eV 的特定发光。在钻石中，镍会产生一种非常特定的、复杂的色彩模式。由于这些 cBN 晶体也是用同样的镍制造的，研究人员认为这种发光同样是由镍引起的，而不是像以前一些人认为的那样是由缺失的氮原子引起的。

同样地，当他们在混合物中加入硅时，出现了一个 1.816 eV 的新发光。在钻石中，硅会创造一种“分裂空位”缺陷（即硅原子位于两个位置之间，将它们推开）。研究人员认为 cBN 的这种发光也是同样的情况：是一个硅原子和一个缺失的位置共同作用的结果，而不是仅仅一个孤立的硅原子。

机器中的“幽灵”
最后，在强辐射后，出现了一个被称为 BN1 中心的奇特且锐利的闪光。它拥有独特的声波（声子）振动“指纹”。这个指纹与钻石中一种由间隙相关复合物（涉及挤入晶体间隙的原子的缺陷）引起的缺陷相匹配。研究人员提出，BN1 中心很可能也是 cBN 中类似的间隙相关缺陷，而不仅仅是一个缺失的原子。

大局观
这篇论文并不声称已经绝对确定地解决了每一个谜团。相反，它提供了一张非常强大的地图。它表明，如果你知道钻石中某种缺陷的“性格”，你就可以猜出其 cBN 双胞胎的“性格”。它们的颜色可能会有所不同（偏移约 40 到 140 meV），但其本质特征是相同的。这为科学家理解 cBN 提供了一种全新的方式：通过观察其著名的双胞胎——钻石，他们终于可以开始解读由立方氮化硼的光芒所书写的篇章。