Descubrimiento de islas bicapa boro-carbono en diamante dopado con boro: Clave del estrés tensil escalonado

Resumen

Se realizaron estudios detallados de la estructura superficial de cristales únicos de diamante dopado con boro sintéticos utilizando tanto difracción de rayos X convencional como sincrotrón nano- y microhaz, así como microscopía de fuerza atómica y microespectroscopía Raman, para clarificar las características recientemente descubiertas en ellos. Islas de forma arbitraria que sobresalen sobre la superficie de diamante (111) se forman en la etapa final del crecimiento del cristal. Sus dimensiones laterales van desde varios a decenas de micrómetros y su altura de 0.5 a 3 μm. Las condiciones de crecimiento del cristal altamente fuera de equilibrio aumentan la solubilidad del boro y, por tanto, conducen a un aumento de las concentraciones de boro en las islas de la superficie hasta 10²² cm⁻³, generando eventualmente tensiones significativas en ellas. La tensión en las islas es tensión tensil volumétrica. Esta conclusión se basa en el desplazamiento escalonado del pico Raman del diamante hacia frecuencias más bajas de 1328 a 1300 cm⁻¹ en varias islas y en la observación del desplazamiento de tres reflejos de baja intensidad en ángulos Bragg 2-theta de 41.468°, 41.940° y 42.413° en el difractograma de rayos X hacia la izquierda respecto al reflejo (111) del diamante a 2theta = 43.93°. Creemos que el origen del estrés tensil escalonado es un cambio discreto en las distancias entre capas boro-carbono con paso de 6.18 Å. Esta suposición explica también el comportamiento escalonado (paso de 5 cm⁻¹) del desplazamiento del pico Raman del diamante. Dos enfoques basados en la aplicación combinada de datos de dispersión Raman y difracción de rayos X permitieron determinar los valores de tensiones tanto en direcciones lateral como normal. La tensión tensil máxima en dirección normal a la superficie alcanza 63.6 GPa, cerca del límite de fractura del diamante, igual a 90 GPa en la dirección cristalográfica [111]. Los resultados experimentales presentados confirman inequívocamente nuestro modelo estructural previamente propuesto del diamante dopado con boro conteniendo nanoestructuras y bicapas bidimensionales de boro-carbono.

Introducción

Las propiedades únicas del diamante como semiconductor de banda ultra ancha lo hacen indispensable en electrónica de alta potencia y RF, optoelectrónica, información cuántica y aplicaciones en entornos extremos. Dos avances principales pueden indicarse en el registro de síntesis de diamantes semiconductores por técnica de alta presión alta temperatura (HPHT). El primer avance se asoció con el desarrollo de tecnología de crecimiento para diamantes monocristalinos grandes de alta calidad. El segundo avance fue la elaboración de la técnica de dopaje efectivo de diamante con boro (B) y fósforo (P) en amplia gama de concentraciones. La fabricación de diamante con alta concentración de B y P se complica por las altas energías de formación de B, P sustitucionales en la red del diamante. La alta energía de formación implica baja solubilidad del dopante en equilibrio. La solubilidad del boro puede aumentarse con tensiones tensiles, como se predijo teóricamente. Artículos demuestran que el estrés biaxial tensil conduce a aumento significativo de solubilidad de boro en silicio. Muy alta solubilidad de boro en diamante se logró bajo condiciones de crecimiento altamente fuera de equilibrio.

Descubrimos recientemente formación de estructura de capa bidimensional (2D) en diamante dopado con boro (BDD). Los átomos de B se incorporan principalmente en nanoestructuras y bicapas, aumentando la solubilidad del boro en la red del diamante. Dado que la superconductividad se observó solo en la superficie del BDD, existe necesidad de estudio más detallado de la estructura 2D en capas en la superficie tal como crece. La superconductividad en el volumen del monocristal BDD no se observó porque la concentración de boro era baja (~0.13 at.%). Sin embargo, la transición al estado superconductor se obtuvo a concentración de boro 2 at.% con temperatura crítica (Tc) igual a 2 K. Además, concentración B de 8 × 10²¹ cm⁻³ (4.55 at.%) puede lograrse en películas CVD proporcionando Tc de 8.3 K. Las concentraciones de boro en la superficie BDD son más de un orden de magnitud mayores que en su volumen, y la razón aún debe determinarse. Para clarificarla estudiamos la diferencia entre estructura de volumen y superficie de monocristales grandes. La presencia de nivel aceptor profundo de 0.37 eV en BDD también limita solubilidad del boro. Encontramos anteriormente un nuevo nivel aceptor superficial de 0.037 eV, formado a concentraciones B superiores a 4 × 10¹⁸ cm⁻³ (0.0023 at.%) en monocristales BDD, que también puede aumentar solubilidad volumen de boro en ellos.

Observamos desplazamientos de posición pico diamante en espectros Raman de diferentes puntos en caras {111} de BDD de 1328 a 1300 cm⁻¹, indicando altas tensiones tensiles. Desplazamientos similares pico diamante observados en películas policristalinas BDD CVD también explicados por tensión residual en ellas. Los desplazamientos de la línea fonón diamante de 1328 a 1300 cm⁻¹ mostraron sorprendente comportamiento escalonado con paso de 5 cm⁻¹, nunca antes detectado en BDD. Tales desplazamientos discretos son inherentes a materiales con estructura 2D en capas y se observaron en espectros Raman de grafeno y nitruro de boro hexagonal. Encontramos que los desplazamientos del pico diamante en diferentes áreas de la superficie tenían diferentes valores, y por tanto, diferentes magnitudes de tensión residual. Métodos no destructivos más adecuados con alta resolución espacial deben usarse para cuantificar magnitudes de estas tensiones y determinar causa del desplazamiento escalonado del pico fonón. En este artículo, informamos resultados de estudios detallados de superficies {111} tal como crecen de monocristal BDD usando microespectroscopía Raman, difracción rayos X convencional y nanohaz sincrotrón, reflectividad rayos X y contraste de fase en modo tapping de microscopía fuerza atómica.

Métodos

Síntesis de Cristales Únicos Diamante Dopado con Boro

Los monocristales BDD crecieron por método HPHT a alta presión 5.5 GPa y alta temperatura 1440 °C en celda tipo "toroide". Aleación Fe-Al-C con relación elemental 91:5:4 %peso, respectivamente, usada como metal solvente. Aluminio añadido al solvente como captador nitrógeno. Grafito alta pureza (99.9995%) usado como fuente carbono y polvo boro amorfo como componente dopante. Cristales diamante sintéticos con tamaño transversal ~0.5 mm y orientación superficie (100) usados como semillas. Temperatura en celda alta presión medida con precisión 2 °C por termopar Pt6%Rh-Pt30%Rh. Gradiente temperatura entre fuente carbono y cristal semilla ~30 °C.

Los monocristales BDD con concentración boro 0.13 at.% en volumen cortados por láser tecnológico en placas con caras {111} tal como crecen para estudios detallados. Superficies opuestas a la tal como crece pulidas para eliminar capa grafitizada remanente tras corte.

Técnicas Experimentales

Difractómetro Empyrean (PANalytical, Países Bajos) equipado con detector PIXcel³D proporcionando alta sensibilidad y rango linealidad alto 0-6.5 × 10⁹ cuentas por segundo usado para registro patrones difracción placas diamante dopado boro con haz rayos X irradiando superficies completas. Mapeo difracción nanohaz realizado en líneas ID01 e ID13 European Synchrotron Radiation Facility (ESRF, Grenoble, Francia). Haces rayos X sincrotrón con tamaño transversal 2 × 2 µm² y 180 × 180 nm², respectivamente, utilizados para análisis local. Difractómetro SmartLab Rigaku (Japón) aplicado para adquisición curvas reflectividad especular rayos X (XRR). Microscopio Raman confocal Renishaw inVia con láser ion argón operado longitud excitación 514.5 nm usado para mediciones espectros Raman con resolución espectral 1 cm⁻¹. Resolución espacial ~1 µm y profundidad sondeo ~2 µm logrados con microscopio Raman confocal. Topografía superficie y composición atómica caras {111} BDD tal como crecen medidas con microscopio fuerza atómica SolverBio (NT-MDT, Rusia), equipado con sonda nitruro silicio radio curvatura <10 nm.

Resultados y Discusión

La fotografía de la cara {111} tal como crece de la placa BDD estudiada con espesor 0.5 mm se muestra en Archivo Adicional 1: Fig. S1. La superficie pulida opuesta a la tal como crece se usó para obtener datos experimentales detallados sobre propiedades volumen BDD como referencia para datos superficie tal como crece. Primera parte estudios examen placa BDD método Laue. Generador rayos X ánodo rotatorio 9-kW con objetivo wolframio proporcionando espectro bremsstrahlung ideal usado para registro lauegrama. Haz rayos X 0.5 mm diámetro iluminando superficie (111) tal como crece placa BDD formado con colimador doble orificio. Mapeo grueso realizado geometría transmisión para registrar patrones Laue rayos X. Doce lauegramas obtenidos áreas centrales y periféricas placa mostrados Archivo Adicional 1: Fig. S2. Dos lauegramas ilustran presencia puntos Laue extra áreas periféricas placa BDD (Fig. 1a) y ausencia en áreas centrales (Fig. 1b). Puntos Laue extra indican presencia islas con estructura 2D en capas en esta área. Aparición rayas radiales (asterismo) observada en lauegrama Fig. 1a revela distorsión significativa red diamante.

Para determinar tamaño lateral áreas con estructura 2D en capas más precisamente, estudios difracción nanohaz sincrotrón realizados en línea ID13 nanofoco ESRF. Energía haz nanohaz monocromático rayos X usado análisis local 14.9 keV (λ = 0.853 Å) con tamaño 180 × 180 nm². Fotografía área dimensiones 140 × 200 µm² correspondiente parte superficie muestra marcada con círculo Fig. 1a mostrada Archivo Adicional 1: Fig. S3. Esta área contenía máximo número puntos Laue extra. Difractogramas 2D en línea ID13 registrados en campo visión (x,y) con paso 600 nm. Para analizar área completa 140 × 200 µm², dividida en 70 secciones. Mapeo haz nanohaz monocromático enfocado modo reflexión realizado cada sección por separado simplificar procesamiento datos después. Total 43,750 difractogramas obtenidos 70 secciones (625 difractogramas cada sección) analizados. Tamaños laterales islas estimados basándose en que patrón difracción permaneció inalterado dentro sección específica. Archivo Adicional 1: Fig. S4 muestra conjunto difractogramas rayos X tomados dos secciones diferentes superficie placa BDD demostrando presencia islas con diferentes tamaños. Establecimos islas forma arbitraria, dimensiones laterales desde varios micrómetros a decenas micrómetros. Difractogramas 2D área local estructura 2D en capas presentados Fig. 2. Reflejos superred claramente observados rango angular entre haz primario y reflejo (111) diamante e identificados inequívocamente como órdenes reflexión desde capas con período mayor comparado espaciados interplanares estructura huésped diamante. Por tanto, análisis datos obtenidos método Laue y difracción nanohaz sincrotrón permite concluir islas con estructura 2D en capas formadas superficie BDD.

Consecuentemente, relaciones deben establecerse entre concentración boro en islas individuales y sus parámetros estructurales. Para determinar períodos entre capas B-C en islas superficie monocristal BDD, aplicamos radiación sincrotrón rayos X más suave. Experimentos realizados línea ID01 microdifracción imagen ESRF. Haz microhaz rayos X energía 7.8 keV (λ = 1.597 Å) usado para obtener patrón difracción. Patrón registrado detector fotones Maxipix tamaño píxel 55 µm con rendijas 2 × 2 µm². Para disminuir efecto inhomogeneidad vertical superficie, placa estrecha dimensiones 0.5 (ancho) × 0.5 (espesor) × 4 (longitud) mm³ conteniendo reflejos superred cortada placa BDD (Archivo Adicional 1: Fig. S1b). Dado ángulo incidencia haz rayos X muestra pequeño, patrón difracción producido solo volumen subsuperficial. Figura 3 muestra patrón difracción rayos X tomado área media placa estrecha Archivo Adicional 1: Fig. S1b. Reflejos superred claramente observados. Reflejo rayos X más intenso a 2θ = 14.85° corresponde menor período posible 6.18 Å. También observamos reflejos superred período 12.36 Å (2θ = 7.41°). Reflejos superred períodos mayores no detectados debido presencia "cola" alta intensidad haz primario.

Concluimos observación reflejos menor período posible indica presencia islas superficie en las que concentración boro alcanza valor máximo según modelo estructura 2D en capas. La mayor concentración boro en BDD resulta en tensión máxima red diamante. Observación desplazamiento máximo pico Raman diamante a 1300 cm⁻¹ confirma este hecho. Suponemos menor intensidad reflexión islas período 12.36 Å se debe menor número capas en ellas o solo parte superficie isla con tal período involucrada difracción debido tamaño transversal pequeño haz rayos X entrante. Para obtener información adicional estructura islas menor período, mediciones espacio recíproco vecindad reflejo superred 2θ = 14.85° realizadas. Detector Maxipix fijado posición 2θ indicada, escaneo muestra alrededor eje φ normal superficie muestra realizado -45° a 45°. Resultados φ-escaneo mostrados Fig. 4a. Cinco reflejos dobles, separados 20°, visibles figura. Origen reflejos dobles curva φ-escaneo (Fig. 4a) explicable usando modelo estructura BDD propuesto. Archivo Adicional 1: Fig. S5a muestra distribución boro (azul) y carbono (gris) en plano (1̄10). Dado enlaces B-C (1.6 Å) más largos enlaces C-C (1.54 Å), átomos boro desplazados hacia cada uno junto enlaces químicos rotos dirección [111] (marcados trazos). Desplazamiento átomos boro conduce formación planos cristalográficos, distancias interplanares entre los cuales incommensurables con distancias estructura básica (ver Archivo Adicional 1: Fig. S5a). Archivo Adicional 1: Fig. S5b ilustración isométrica estructura BDD. Demuestra direcciones vectores onda espacio 3D cuyas longitudes incommensurables (rojo) y commensurables (negro) con vectores estructura huésped periódica. Así, aclara aparición reflejos dobles curvas φ-escaneo. Combinación vectores onda incommensurables y commensurables conduce formación número vectores onda, longitudes y direcciones no coinciden vectores estructura huésped, explicando presencia puntos extra patrones Laue y cinco reflejos dobles curva φ-escaneo (Fig. 4b). Creemos mismas características estructurales inherentes islas otros períodos.

Técnica XRR usualmente implementada determinar parámetros estructurales islas superficie BDD tal como crece, como espaciado entre capas y número capas. Dado superficie tal como crece placa BDD muestra topografía inhomogénea (Archivo Adicional 1: Fig. S1a), aplicación esta técnica difícil. Sin embargo, método puede usarse definir estos parámetros estructura 2D capas volumen BDD. Para recuperar esta información, estudiamos experimentalmente superficie pulida placa BDD opuesta a tal como crece. Conclusiones parámetros estructurales capas 2D volumen basadas comparación curvas reflexión especular experimentales con teóricas. Software IMD modelado análisis película multicapa usado simular curvas teóricas. Curva especular demuestra órdenes reflexiones desde capas y oscilaciones entre ellas causadas interferencia ondas rayos X reflejadas capas B-C. Espesor capas boro-carbono, número capas, longitud onda rayos X, rango angular 2θ y paso escaneo introducidos software IMD parámetros curva teórica. Curvas teórica y experimental reflectividad especular mostradas Archivo Adicional 1: Fig. S6 y Fig. 5, respectivamente.

Dos picos anchos curva reflexión especular experimental 2θ ≈ 7 y 15° son órdenes reflexión islas tamaño extremadamente pequeño, también llamadas nanoestructuras. Ausencia oscilaciones probablemente asociada pequeñas dimensiones laterales y diferentes períodos oscilaciones producidas nanoestructuras individuales. Tamaño lateral promedio nanoestructuras estimado ensanchamiento picos igual ~2 nm.

Topografía superficie usualmente estudiada microscopía fuerza atómica. Dos modos básicos aplicables análisis superficie. Primero modo estándar determinar altura estructuras superficie. Segundo modo contraste fase, proporciona información diferencia composición atómica diversas áreas superficie. Como resultado, modo contraste fase puede usarse determinar dimensiones laterales islas con diferentes concentraciones boro en ellas. Usamos microscopía fuerza atómica (AFM) determinar altura islas. Figura 6a imagen AFM 10 × 10 µm² BDD obtenida modo escaneo altura relieve superficie. Islas forma arbitraria tamaños laterales fracciones micrómetros a decenas micrómetros claramente visibles, alturas varían 0.5 a 3 µm. Imagen contraste fase modo tapping misma región BDD presentada Fig. 6b. Áreas oscuras y brillantes observadas asociadas cambios fase áreas diferente composición atómica. Como visto Fig. 6b, áreas brillantes relacionadas diamante huésped y oscuras islas mayor concentración boro. Comparación imágenes Fig. 6a, b permite concluir áreas oscuras son islas sobresaliendo superficie diamante huésped. Dado tamaños laterales islas obtenidos mapeo difracción nanohaz rayos X concuerdan con observaciones AFM, concluimos áreas oscuras torres son islas estructura 2D en capas.

En este sentido, tensión en islas y su dependencia concentración boro debe determinarse. Otra tarea importante clarificar origen comportamiento escalonado desplazamiento pico Raman diamante. Para este propósito, mapeo Raman parte central placa estrecha BDD realizado. Debido fuerte absorción resonante longitud onda láser 514.5 nm, dispersión Raman sondea capas superficie dentro profundidad penetración varias decenas nanómetros. Haz láser excitación 3 mW enfocado punto ~1 µm diámetro usado. Esta potencia, calentamiento láser superficie diamante e islas estructura 2D en capas punto enfocado insignificante. Espectros Raman característicos diferentes áreas superficie tal como crece (111) placa BDD (mapeo Raman grueso) mostrados Archivo Adicional 1: Fig. S7. Mapeo Raman fino (paso 1.5 µm tiempo exposición 3 s cada punto) área superficie 150 × 150 µm² placa estrecha BDD marcada cuadro blanco Archivo Adicional 1: Fig. S1b mostrada Fig. 7. Ajuste función Lorentz aplicado espectros Raman crear imágenes mapeo Raman posición pico diamante. Modo seguimiento foco automático usado compensar altura irregular superficie.

Total 10,000 espectros Raman analizados. Análisis mapeo Raman muestra posición pico fonón diamante constante dentro áreas superficie tal como crece, marcadas diferentes colores, pero cambió de un área a otra. Como muestra Fig. 7, posición este pico varía escalonadamente 1328 a 1300 cm⁻¹ con paso ~5 cm⁻¹. Pico fonón diamante 1328 cm⁻¹ marcado color violeta Fig. 7 coincide con espectro Raman volumen BDD. Histograma, Archivo Adicional 1: Fig. S8, exhibe razón área islas diferentes concentraciones boro. Diferentes concentraciones boro generan diferente tensión conduciendo diferente desplazamiento pico diamante.

Investigaciones estructura superficie BDD métodos locales arriba demostraron formación islas forma arbitraria, sobresaliendo superficie diamante huésped. Islas dimensiones laterales varios a decenas micrómetros, alturas 0.5 a 3 µm. Primera razón formación islas crecimiento BDD condiciones altamente fuera equilibrio etapa final cristalización tras apagar aparato HPHT. Crecimiento islas tales condiciones conduce aumento solubilidad boro y concentración boro sube hasta 10²² cm⁻³ en ellas. Segunda razón refiere presencia gradientes concentración boro horizontales y verticales interfaz entre ambiente crecimiento y superficie cristal en crecimiento. Encontramos concentraciones boro islas diferentes, creando diferentes tensiones en cada una. Razón aparición tensiones residuales islas incorporación átomos boro red cúbica diamante dopaje. Dado radio covalente átomo dopante boro (0.88 Å) mayor carbono (0.77 Å) conduce aumento constante red unidad cúbica diamante. Dado cada isla sobresaliendo superficie diamante huésped puede considerarse microcristal separado, tensión residual volumétrica debe generarse en ellas. Enfatizamos estructura películas diamante dopado boro crecidas método CVD difiere monocristales BDD crecidos HPHT. Átomos boro estas películas distribuidos homogéneamente grandes áreas, creando tensión residual biaxial equilibrada toda película. Esta tensión residual clasifica Tipo I y refiere macro-tensiones residuales desarrollan escala mayor tamaño cristalito materiales. Por otro lado, tensión residual islas (microcristales) puede considerarse superposición Tipo II y Tipo III a menudo llamadas micro-tensiones residuales. Tipo II micro-tensiones operan nivel tamaño microcristal. Tipo III micro-tensiones generadas nivel atómico debido incorporación pares boro célula unidad diamante. Creemos aumento micro-tensión residual islas asociado distancias entre bicapas B-C. Debe notarse islas estructura 2D en capas conjugadas coherentemente red diamante huésped según modelo estructural propuesto. Esto implica no hay interfaz aguda entre diamante volumen e islas, y por tanto no hay tensión mismatch sustancial.

Difracción rayos X método más adecuado medir deformaciones elásticas materiales cristalinos. Debe notarse método X-ray Sin²ψ normalmente usado determinación tensión materiales policristalinos solo y no aplicable mediciones tensión monocristales. Geometría Bragg-Brentano más adecuada determinación deformación elástica dirección normal superficie BDD tanto en diferentes islas bicapas 2D superficie BDD como en diamante huésped porque haz rayos X entrante ilumina toda superficie muestra y penetra placa estrecha ~200 µm profundidad. Patrones difracción rayos X registrados usando difractómetro Empyrean equipado detector PIXcel3D y módulo óptico Bragg-Brentano HD para calidad datos mejorada. Parámetros adquisición patrones difracción permitieron observación simultánea tanto reflejos débiles islas como fuerte reflejo (111) diamante con intensidad ~4 órdenes magnitud mayor. Figura 8a muestra patrón difracción rayos X (θ/2θ-escaneo) placa BDD orientación superficie (111).

Fuerte reflejo (111) diamante y reflejos débiles representando reflejos islas estructura 2D en capas observados patrón difracción rayos X. Más intenso reflejos débiles 2θ = 14.3° atribuido difracción islas distancia mínima entre capas B-C 6.18 Å. Sorprendió observar tres reflejos débiles separados ángulos 2θ iguales 41.468°, 41.940° y 42.413° con intervalos Δ2θ ≅ 0.470° vecindad reflejo (111) (Fig. 8b). Estos picos no pueden relacionarse algunos órdenes reflexión y su aparición debe clarificarse. Creemos su presencia debida alta deformación escalonada red diamante islas. Conclusión basada en hecho islas distancias mínimas posibles entre capas B-C presentes superficie. En efecto, órdenes reflexiones períodos 6.18 y 12.36 Å observados patrón difracción rayos X obtenido área central placa estrecha línea ID01 sincrotrón (Fig. 3). Análisis mapeo Raman mismas áreas demostró presencia islas pico fonón Raman diamante también desplazado escalonadamente valores 1300, 1305 y 1310 cm⁻¹. Por tanto, concluimos origen tensión tensil escalonada red diamante islas debido cambio discreto espaciado entre capas B-C.

Tensión residual volumétrica (triaxial) caracterizada tensiones principales σₓ, σᵧ, σ_z, determinadas usando ley Hooke generalizada. Considerando expansiones transversal y longitudinal direcciones ejes principales, obtenemos deformaciones mediante expresiones siguientes:

ε₁ = (1/E)[σ₁ - ν(σ₂ + σ₃)]
ε₂ = (1/E)[σ₂ - ν(σ₃ + σ₁)]
ε₃ = (1/E)[σ₃ - ν(σ₁ + σ₂)]

donde ε₁, ε₂, ε₃ deformaciones ejes principales, E módulo Young, ν coeficiente Poisson, σₓ = σ₁, σᵧ = σ₂, σ_z = σ₃ tensiones ejes principales.

Dos enfoques estimar σ₁, σ₂, σ₃. Primer enfoque basado combinación datos difracción rayos X y dispersión Raman. Difracción rayos X proporciona mediciones deformación elástica dirección transversal, mientras dispersión Raman permite determinarla dirección longitudinal bajo ciertas suposiciones. Existe ecuación conocida dependencia tensión biaxial desplazamiento pico fonón diamante caso σ₃ = 0:

σ_∥ = σ₁ + σ₂ = -1.49 GPa/cm⁻¹ × (ωₛ - ω₀)

donde ωₛ posición pico fonón diamante desplazado bajo tensión, ω₀ posición pico fonón centrado 1328 cm⁻¹ volumen BDD. Validez uso esta fórmula tensión triaxial cuestión controversia. Suponemos ecuación usable aproximación capa delgada considerando absorción resonante significativa radiación láser (514.5 nm) bicapas B-C conductividad metálica. Suposición apoyada hecho experimental intensidades integrales bandas anchas 480 y 1230 cm⁻¹ permanecen constantes mientras intensidad pico fonón diamante disminuye significativamente (Archivo Adicional 1: Fig. S7). Tensión dirección normal σ obtenida ecuación:

σ₃ = ε₃ × E + ν × (σ₁ + σ₂)

donde σ₃ = σ_⟂ y ε₃ determinada expresión:

ε₃ = Δθ × ctgθ'

donde Δθ = θ₀ - θ', θ₀ posición reflejo Bragg (111) diamante sin tensión, correspondiente máximo curva θ/2θ (2θ₀ = 43.93°, Fig. 8), θ' corresponde máximo tres reflejos débiles separados ángulos 2θ iguales 41.468°, 41.940° y 42.413°.

Considerando valores módulo Young E_∥ = 1164 GPa y coeficiente Poisson ν_∥ = 0.0791, valores numéricos σ_∥ y σ_⟂ calculados usando Ecs. (2), (3) y (4). Resultados cálculo presentados Tabla 1.

Como visto tabla, tensión normal máxima σ_⟂ islas período mínimo 6.18 Å igual 63.6 GPa, cerca límite fractura diamante 90 GPa calculado teóricamente dirección cristalográfica dada.

Segundo enfoque basado expansión hidrostática red diamante islas. En este caso σ = σ₁ = σ₂ = σ₃ estimado ecuación:

σ = ε × E/(1 - ν)

donde E/(1 - ν) = 1264 GPa, ε = Δθ × ctgθ', ε = ε₁ = ε₂ = ε₃. Deformación ε determinada cada reflejo centrado 41.468°, 41.940° y 42.413° escaneo θ/2θ (Fig. 8). Resultados cálculo expansión hidrostática red diamante presentados Tabla 2.

Datos cálculo basados dos enfoques mostraron valores σ y σ_⟂ difieren aproximadamente 10%. Valores σ_∥ y σ_⟂ estimados primer enfoque difieren aproximadamente vez y media.

Primer enfoque parece más realista considerando estructura 2D en capas islas. Por lo que sabemos, tensión anisotrópica característica materiales 2D. Cuestión valores reales constantes elasticidad vista estructura compleja islas permanece abierta. Determinación valores cuantitativos módulo Young y coeficiente Poisson considerando todos factores reales como altos valores tensión islas y su estructura cristalina compleja tarea difícil.

También determinamos tensión σ volumen BDD conociendo posición 2θ_Bragg reflejo (111) diamante sin tensión 2θ₀ = 43.93° y desplazamiento izquierdo medido reflejo (2θ' = 43.874°, Fig. 8b) causado tensión volumen diamante huésped. Tensión estimada volumen σ = σ_⟂ = σ_∥ = 1.528 GPa, asumiendo expansión hidrostática red diamante usando relación (5) Δθ = θ₀ - θ' = 0.028°. Este resultado correlaciona bien datos obtenidos difracción microhaz rayos X sincrotrón usando haz monocromático energía 7.8 keV (λ = 1.597 Å) donde división reflejo (111) también observada (Archivo Adicional 1: Fig. S9). Valor calculado σ 1.528 GPa permite refinar coeficiente tasa desplazamiento hidrostático k = (ωₛ - ω₀)/σ. En esta ecuación, posiciones pico fonón diamante ω₀ = 1332 cm⁻¹ y ωₛ = 1328 cm⁻¹ corresponden diamante sin dopar y diamante dopado boro concentración 2 × 10²⁰ cm⁻³, respectivamente. Valor refinado coeficiente k = 2.68 cm⁻¹/GPa concuerda valores obtenidos otros autores.

Conclusiones

En resumen, estudiamos estructura islas con bicapas B-C escala atómica superficie BDD usando diversas técnicas experimentales: difracción nanohaz y microhaz rayos X sincrotrón, difracción rayos X convencional, microscopía fuerza atómica y microespectroscopía Raman, para explicar características observadas. Islas forma arbitraria, sobresaliendo superficie diamante, dimensiones laterales varios a decenas micrómetros, alturas 0.5 a 3 µm. Formadas etapa final crecimiento BDD condiciones altamente fuera equilibrio, aumentando concentración boro islas ~10²² cm⁻³ generando tensiones significativas. Experimentalmente establecido tensión triaxial y tensil. Conclusión basada en picos Raman diamante desplazados frecuencias menores 1300 cm⁻¹ y difracción rayos X izquierda reflejo fuerte (111) diamante contiene tres reflejos baja intensidad ángulos Bragg 2Θ 41.468°, 41.940° y 42.413°. Creemos estos tres reflejos Bragg causados por cambio discreto tensión tensil determinado distancia entre capas boro-carbono paso 6.18 Å. Suposición explica comportamiento escalonado desplazamiento pico Raman diamante paso 5 cm⁻¹. Dos enfoques basados uso datos dispersión Raman y difracción rayos X permitieron estimar cuantitativamente valores tensiones direcciones lateral y normal. Valor tensión calculado alcanza 63.6 GPa islas máxima concentración boro, cerca límite fractura teórico diamante dirección <111>. Por otro lado, tensión tensil experimentalmente determinada volumen BDD, 1.528 GPa, mucho menor. Fiabilidad modelo estructural previamente propuesto estructura 2D en capas confirmada datos experimentales obtenidos combinación múltiples técnicas.