Алмазы для деликатной термометрии
Синтетические алмазы сегодня используются в разных областях техники и науки.
Точечные дефекты могут возникать в результате внедрения в кристалл примесных (чужеродных) атомов в междоузлия или в узлы кристаллической решётки. Попадая в кристалл алмаза в процессе роста или после его окончания, такие примеси могут выступать в качестве центров окраски, которые люминесцируют.
Физики из МФТИ и ФИАН исследовали люминесцентные свойства промышленных порошков алмазов, содержащих примеси никеля, на предмет их применимости для термометрии. Люминесцентная термометрия — довольно широко применяемый метод измерения температуры в микросхемах, двигателях и биологических объектах.
Суть метода состоит в следующем: в исследуемую область помещают люминесцентную частицу, которая выступает в роли датчика, и освещают её лазером. Температуру определяют по форме полученного спектра свечения частицы и длительности люминесценции. Для исследования биологических объектов этот спектр должен лежать в ближней инфракрасной области (от 750 до 1000 нм), иначе излучение будет сильно поглощаться тканями. Кроме того, необходимо, чтобы такой микродатчик был достаточно прочным и химически стойким и его показания не зависели от магнитных и электрических полей среды. Алмаз с примесями никеля — один из материалов, который удовлетворяет этим требованиям. Такие алмазы просты в производстве: их получают в промышленности при создании алмазного порошка с использованием никеля в качестве катализатора процесса. А диапазон длин волн их люминесценции оптимален для биологических исследований (в отличие от диапазона длин волн люминесценции широко встречающихся дефектов алмаза, связанных с внедрением в его решётку атома азота). Кроме того, алмазы биосовместимы и «долгоживучи», то есть мало подвержены деградации.
Исследователи изучали пространственные и временны'е характеристики спектров люминесценции никелевых центров при различных температурах. Физическая природа люминесценции такова: при поглощении излучения, например от лазера, электроны переходят из основного в возбуждённое состояние, а затем возвращаются обратно, испуская фотоны (то есть происходит излучательный переход электронов из возбуждённого состояния в основное).
Этот процесс занимает десятки наносекунд — довольно длительное время по меркам микрофизики. С ростом температуры окружающей среды увеличивается вероятность безызлучательного (без излучения фотона) перехода электрона в основное состояние, что, как правило, приводит к уменьшению времени нахождения электрона в возбуждённом состоянии. При этом электроны активнее взаимодействуют с атомами вещества, что влияет на форму спектра люминесценции.
Для изучения формы спектра люминесценции, положения его пика и времени жизни микрокристаллы алмаза размерами 4 и 30 мкм возбуждали лазером при различной температуре. С её ростом пики спектров уменьшались и смещались в область более коротких длин волн (в синюю область). Кроме того, физики обнаружили так называемую изоэмиссионную точку — длину волны, в которой интенсивность свечения конкретного алмаза оставалась постоянной вне зависимости от степени нагрева. Это положение удобно использовать для калибровки температурных измерений других объектов.
В последующих экспериментах микрокристаллы алмаза облучали в импульсном режиме. В результате удалось выяснить, что длительность люминесценции от температуры зависит линейно. Исследование временнoй зависимости оказалось важно, потому что, зная лишь её, можно определить температуру объекта: достаточно измерить длительность свечения, а не строить спектральные линии. Причём никелевые центры в алмазах проявили сильную температурную зависимость при люминесценции, а значит, такие микрокристаллы можно применять в термометрии. В дальнейшем физики планируют исследовать более мелкие частицы: наноалмазы размером меньше 500 нм. Распыляя их, можно будет получать температурные карты объекта.
Работа опубликована в «Physica status solidi — Rapid Research Letters».
По информации пресс-службы МФТИ.
Читайте в любое время
