Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Внутреннее строение алмазов с пониженным содержанием структурных примесей азота

ВАК РФ 04.00.20, Минералогия, кристаллография

Автореферат диссертации по теме "Внутреннее строение алмазов с пониженным содержанием структурных примесей азота"

МОСКОВСКИЙ ОРДЕНА ЛЕНИНА, ОРДЕНА ОКТЯБРЬСКОЙ РЕВОЛЮЦИИ И ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ГОСУДАРСТВЕННЫ!: УНИВЕРСИТЕТ им. М.В.Ломоносова

ГЕОЛОГИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ Кафедра минералогии

На правах рукописи УДК 549.211

ТИТКОВ Сергей Васильевич

ВНУТРЕННЕЕ СТРОЕНИЕ АЛМАЗОВ С ПОНИЖЕННЫМ СОДЕРЖАНИЕМ СТРУКТУРНЫХ ПРИМЕСЕЙ АЗОТА

Специальность 04.00.20 - минералогия, кристаллография

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата геолого-минералогических наук

Москва - 1991

Работа выполнена на кафедре минералогии Геологического факультета МГУ им. М.В.Ломоносова ,

Научный руководитель: член-корреспондент АН СССР

доктор геолого-шнералогичеоких наук профессор А.С«Марфунин

Официальные оппоненты:доктор геолого-минералогических наук профессор В.С.Балицкий

кандидат геолого-минералогических наук доцент Ю.П.Солодова

Ведущая организация: Всесоюзный научно-исследовательский институт синтеза минерального сырья (ВНИИСШС)

Защита состоится «Р^лифя 1991 г. в час.

в аудитории ^(Г на заседании Специализированного Совета К.053.05.09 по минералогии и |фисталлографии Геологического факультета Московского Государственного Университета им. М.В.Ломоносова.

Адрес: 119899, г.Москва, МГУ, Ленинские горы, Геологический факультет

Автореферат разослан "¿Н Х991г.

Ученый секретарь Специализированного совета

кандидат геолого-минералогических наук Н.А.ЯМнова

ОЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Природные алмазы, содержащие пониженное количество структурных примесей азота и относящиеся ко П типу по физической классификации, в последние годы привлекают пристальное внимание исследователей, поскольку они являются незаменимым материалом для современной электроники. На их основе созданы детекторы ионизирующих излучений, биполярные транзисторы, оптоэлектронные переключатели, теплоотводн, источники лазерного и мягкого рентгеновского излучения, термисторы и другие электронные приборы, имеющие целый ряд преимуществ по сравнению с приборами, изготовленными с использованием таких традиционных материалов как Эс, , .

Однако до сих пор внутреннее строение редких алмазов П типа мало изучено. Среди исследователей утвердилось мнение, что все они имеют однотипное "мозаично-блочное" строение.

В то же время дефекты внутреннего строения кристаллов, как было показано на примере изоструктурных алмазу кремния и германия, могут оказывать существенное влияние на их свойства и определять выход годных приборов, изготовляемых из них.

Исследование особенностей внутреннего строения кристаллов алмаза с пониженным содержанием азотных примесей представляет интерес и в отношении выявления условий и механизма роста, а также характера последующих эпигенетических изменений алмазов в природе.

Целью данной работы являлось исследование особенностей внутреннего строения кристаллов алмаза с пониженным содержанием структурных примесей азота для выяснения онтогении алмаза, а также в связи с решением проблемы отбора и аттестации природных кристаллов для электронной техники.

Для достижения поставленной цели решались следуицие основные . задачи:

1. Отбор кристаллов алмаза с пониженным содержанием структурных примесей азота по их оптико-спектроскопическим характеристикам.

2. Рентгенотопографическое исследование отобранных алмазов.

3. Изучение картин аномального двупреломления кристаллов.

4. Исследование дефектных центров в кристаллах, образовавшихся в результате пластической деформации кристаллов.

5. Исследование влияния дефектов внутреннего строения на электрофизические свойства алмазов.

Объектом исследований являлась коллекция из 150 специально отобранных щжсталлов алмаза с пониженным содержанием структурных примесей азота. По физической классификации они относились к Па и

промежуточному типам. Исследованные алмазы были добыты из кимберли-товых трубок "Мир" и "Удачная" Якутской алмазоносной провинции.

Научная новизна работы заключается в следующем.

1. Впервые в кристаллах природных алмазов П типа выявлены ростовые дефекты, что позволило сделать заключение об условиях и механизме их роста.

2. Подробно Исследовано внутреннее строение расщепленных кристаллов алмаза, состоящих из столбчатых субиндивидов.

3. Впервые в практике исследования алмазов методом рентгеновской дифракционной топографии получены изображения индивидуальных дислокаций, образовавшихся в результате пластической деформации алмазов.

4. Показано многообразие проявления пластических деформаций в природных кристаллах алмаза.

5. Предложена классификация алмазов с пониженным содержанием азотных примесей в зависимости от присутствия в них дефектов ростового и деформационного происхождения.

6. Установлены не известные ранее в природных кимберлитовых алмазах линии в спектрах комбинационного рассеяния, которые связаны с дефектами деформационного происхождения.

7. Выявлено влияние.дефектов внутреннего строения на электрофизические свойства алмазов с пониженным содержанием структурных примесей азота.

Практическая значимость работы. По результатам проведенных исследований цредложена классификация типов внутреннего строения алмазов с пониженным содержанием структурных примесей азота, находящих широкое применение в качестве материала для полупроводниковой электроники. В работе на примере детекторов ионизирующих излучений показано влияние дефектов ростового и деформационного происхождения на рабочие характеристики электронных приборов на основе алмаза. Даны рекомендации по совершенствованию методики отбора природных кристаллов алмаза для детекторов ионизирующих излучений.

Основные защищаемые положения:

1. В кристаллах алмаза П типа (с пониженным содержанием азотных примесей) присутствуют те же ростовые дефекты, что и в кристаллах I типа,-дислокации, расходящиеся из центра и от границы периферической зоны роста, столбчатые субиндивиды, зональные и двойниковые границы и т.д., следовательно, в природе механизм роста алмазов П типа не отличался от механизма роста алмазов I типа.

2. Выявленные среди алмазов с пониженным содержанием азотных примесей расщепленные кристаллы состоят из столбчатых субиндивидоь,

разориентированных на 1,8-3,7 градуса, и формируются вследлвие высоких локальных напряжений, возникающих в кристалле в процессе роста, в условиях значительных пересыщений минералообразугацей среды.

3. Характер проявления пластической деформации в природных алмазах с пониженным содержанием азотных примесей весьма многообразен: в зависимости от условий эпигенетических процессов в них могут образовываться различные количества дислокаций, принадлежащих направлениям (НО) и имеющих различную конфигурацию, линии трансляционного скольжения по шюскостям{ш}, отдельные блоки с углом разориента-ции до 3°20', механические микродвойники толщиной до ¿0 мкм.

4. Для изготовления детекторов ионизирующих излучений пригодны те алмазы с пониженным содержанием структурных примесей азота, в которых плотность дислокаций составляет 10^-10® линий/см^ и угол раз-ориентации блоков не превышает 0°3*.

Аппобашя работы. Основные результаты проведенных исследований докладывались на ХУ1 научной конференции аспирантов и молодых ученых МГУ (Москва, 1989г.}, на Втором Всесоюзном геммологическом совещании (Черноголовка, 1989 г.),на 6-м Всесоюзном совещании "Основные направления повышенная эффективности и качества геолого-разведочных работ на алмазы" (Иркутск, 1990г.), на Всесоюзной конференции "Перспективы применения алмаза в электронике и в электронной технике" (Жнзква, 1991г.). Материалы настоящей работы изложены в 6 печатных работах, а также в технологическом отчете.

Личный, вклад автора. В ходе выполнения работы автором было получено свыше 220 дифракционных рентгеновских топограмм алмазов с пониженным содержанием структурных примесей азота, записаны спектры комбинационного рассеяния и фотолюминесценции изученных кристаллов и проведено фотодокументирозание их морфологии и картин аномального двупреломления. Автор также принимал участие в отборе и аттестации кристаллов алмаза с пониженным содержанием азотных примесей для изготовления и проведения промышленных испытаний детекторов ионизирующих излучений.

Диссертация состоит из введения, 6 глав, заключения, списка литературы из 205 библиографических наименований и содержит страниц машинописного текста, 5 таблиц и 28 рисунков.

Исследования проводились в период 1987-1990гг. на кафедре минералогии Геологического факультета .'ЛГУ им. М.В.Ломоносова в соответствии с планом целевой очной аспирантуры, а также в лаборатории № 8 института ГИНалмаззолото и в секторе реальной структуры кристаллов Института щшсталлографии Ali СССР.

Настоящая работа выполнена под руководством члена-корреспон-

дента АН СССР заведуюшего кафедрой минералогии МГУ профессора A.Uitop-фунина, которому автор выражает свою глубокую благодарность. Автор также благодарен за помощь, оказанную в процессе выполнения работы, к.г.-м.н. Р.Б.Зезину, к.г.-м.н. Т.М.Зайцевой, к.техн.н. В.М.Кулакову, к.ф.-м.н. С.П.Елотниковой, к.ф.-м.н. И.Л.Слгольскому, к.ф.-.м.н.А.Э.Волошину, к.г.-м.н. Р.Ю.Орлову, М.Ф.Вигасиной, В.С.Хрунову и другим сотрудникам института ГИНалмаззолото, кафедры минералогии МГУ, Института кристаллографии АН. СССР, Рижского НИИ радиоизотопного приборостроения.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Первая глава представляет собой литературный обзор. В нем обсуждаются имеющиеся данные об особенностях оптических, электронных, тепловых, поверхностных свойств, химического состава и морфологии природных алмазов П типа.

Рассмотрены основные направления использования этих алмазов в качестве материала для электронной техники. Более подробно описаны детекторы ионизирующих излучений.

В обзоре показано, что внутреннее строение алмазов с пониженным содержанием азотных примесей, особенно из месторождений СССР, изучено недостаточно. Приведены данные о детально исследованных дефектах внутреннего строения изоструктурных алмазу кристаллов . Si,и &е В соответствии с этим намечены проблемы теоретического и прикладного характера, которые решались в процессе выполнения работы.

Во второй главе содержится описание методики исследования. Алмазы с пониженным содержанием азотных примесей (150 образцов) были отобраны по их црозрачности для ультрафиолетовых лучей. У изготовленных из всех щщсталлов плоскопараллельных пластинок были изучены картины аномального двуцреломления, записаны спектры поглощения в УФ-и ИК-областях с использованием1спектрофотометров Pye UnLcam SP8-200 и Pcz&Lh. £^Wi-983.

Более подробно рассмотрена методика дифракционной рентгеновской топографии. Проекционные рентгеновские топограммы были получены на спектрометре ДТС-I, изготовленном в Специальном конструкторском бюро ИКАНа. При проведении исследований с целью улучшения .дифракционных изображений был разработан специальный криогаялодержатель, позволяющий сократить расстояние кристалл-фотопластинка, а также изготовлены алмазные пластинки толщиной 300 мкм.

Для исследованных методом рентгеновской топограии алмазов были записаны спектры комбинационного рассеяния света и фотолюминесценции

при лазерном возбуждении.

На заключительной стадия из алмазных пластин с известными типами внутреннего строения в рижском НИИ радиоизотопного приборостроения были изготовлены и испытаны с использованием источника ОСАИ Ра детекторы ионизирующих излучений.

В третьей главе приведены спектроскопические характеристики кристаллов алмаза. По записанным спектрам поглощения в ИК- и УФ-об-ластях рассчитана концентрация примесного азота в кристаллах. На основании этого сделано заключение, что большинство изученных алмазов относились к типу Па, часть - к промежуточному типу по физической классификации.

В спектрах комбинационного рассеяния всех кристаллов, естественно, наблюдалась линия первого порядка с частотой 1332 см-1, обусловленная основным триждывырожденным колебанием решетки алмаза, а также линии второго порядка с частотами 2469 см и 2664 см-*.

В алмазе, содержащем механические микродвойники, выявлена серия не описанных ранее линий комбинационного рассеяния с частотами 928,1105,1238 см-1. Их возникновение можно объяснить, по-видимому, тем, что образование микродвойниковых границ в структуре алмаза приводит к нарушению порядка упаковки базисных гофрированных слоев fill}, в результате чего образуются тончайшие прослойки с гексагональной плотнейшей упаковкой, т.е. ламели лонсдейлитовой фазы. Как известно, в спектрах комбинационного рассеяния лонсдейлита в этой же области присутствует ряд линий. Отмеченные некоторые различия частот известных линий трехмерного лонсдейлита и выявленных линий можно объяснить тем, что в исследованном кристалле лонсдейлит находится в виде тончайших двумерных ламелей в алмазной матрице.

Данные результаты особенно интересны в том отношении, что получены для алмазов из кимберлитов. Имеющиеся в литературе данные о. лонсдейлит-алмазных агрегатах относятся к образцам из импактитов,метеоритов, россыпей и продуктам искусственного синтеза. Причем, в таких алмазах также отмечалось присутствие большого количества микродвойниковых прослоек.

В спектрах фотолюминесценции расщепленных кристаллов алмаза, состоящих из столбчатых субиндавидов, обнаружена широкая полоса с максимумами 5215 Я и 5142 Я, ответственная за интенсивное желто-зеленое свечение. При этом расщепленные кристаллы содержат большое количество мелких черных включений. Спектры фотолюминесценции данных включений, записанные с использованием специальной микроприставки, свидетельствуют, что наблюдаемая в расщепленных алмазах фотолюминесценция обусловлена фотолюминесценцией включений, равномерно распре-

деленных по объему кристалла.

Интенсивная фотолюминесценция наблюдалась также в сильно пластически деформированных кристаллах. 3 тех алмазах, у которых визуально наблюдаемая люминесценция имела зеленый цвет, в спектрах фиксировалась широкая полоса.с максимумами 5217 X и 5155 Я. В спектрах образцов с визуальной аелто-зеленой люминесценцией фиксировались кроме того максимумы 5367 2 и 5282 2.

Спектры комбинационного рассеяния сильно деформированных алмазов были записаны в антистоксовой области с целью устранения влияния интенсивной люминесценции. В них наряду с известной линией алмаза с частотой 1332 см-^ была выявлена дополнительная не отмечавшаяся ра-

_т

нее линия с частотой 1328 см , природа которой, как отмечено в работе, дискуссионна.

В главе также указано, что Есе исследованные алмазы относились к I разновидности по классификации Ю.Л.Орлова, были бесцветны и лишь в редких случаях имели коричневую или серую опаску.

В четвертой главе рассмотрены дефекты внутреннего строения, сформировавшиэся в процессе роста алмазов. До настоящего времени, судя но литературным данным, ростовые дефекты не были обнаружены в алмазах П типа, поскольку такие дефекты в них экранируются наложенными эпигенетическими процессами пластической деформации. В изученной коллекции были выявлены кристаллы с пониженным содержанием азота, в которых ростовые элементы внутреннего строения сохранились. Содержание таких алмазов составляло около 10$ от общего количества образцов. Среди них можно выделить следующие группы.

I. Дщраы_с^0с£02ыми_,1щсл0кациям2,^асйодяцимизд^з, ¡¡ейт£а_ кристалла, чаще относились к промежуточному типу, в единичных случаях - к типу Па. Дислокации обычно расцространяются от макроскопически различимых центральных включений к поверхности кристалла. Они имеют как прямолинейную, так и извилистую конфигурацию, в одном из алмазов на ростовых дислокациях были выявлены ступенчатые изломы различной амплитуды, образовавшиеся в результате эпигенетических цро-цессов пластической деформации кристаллов.

Анализ погасаний дислокаций на топограммах, полученных от различных рефлексов, свидетельствует, что среда них встречаются как чисто винтовые, так и дислокации с 1фаевой компонентой.

В некоторых кристаллах с сохранившимися ростовыми дислокациями, ааблвдадись полосы зональной неоднородности. Они всегда параллельны эктаэдрическим граням, что означает, что октаэдр был основной формой за всем протяжении роста кристалла.

2. § кристаллах_с_повышеНЁОЙ ¡иющо с тью_^щс локаций в пеЕиЩе-Еизескйх_з<ущх_можно выделить два этапа роста. Вначале эти алмазы формировались относительно совершенными. В них образовывались единичные ростовые дислокации, как в кристаллах предыдущей группы. Однако на определенном этапе роста вследствие изменений условий процесса

в этих алмазах большое количество пучков ростовых дислокаций. Их плотность часто превышает Ю7 линий/см2, но в одном из кристаллов была гораздо ниже, что позволило получить изображения индивидуальных дислокаций. Они имеют извилистую конфигурацию и развиваются от внутренней границы периферической зоны к поверхности кристалла.

Следует отметить, что в таких алмазах центральные зоны содержат более высокую концентрацию азотных примесей, чем периферические, обычно относящиеся ко П типу.

3. £асщегщеанае_|щист2л,аы_имеют весьма своеобразное внутреннее строение. Как свидетельствуют рентгеновские топограммы, весь объем их октаэдрических секторов роста состоит из столбчатых субиндивидов, находящихся в тесном срастании. Все субиндивиды имеют одинаковое направление роста, перпендикулярное грани октаэдра. Они зарождаются на границе соседних секторов роста и развиваются до поверхности кристалла (рис.1). Столбчатые субиндивида чаще имеют приблизительно постоянную ширину, иногда незначительно расширяются, приближаясь к поверхности кристалла. Границы между ниш неровные, извилистыо. Размеры их в поперечном сечении составляют от 50 до 200 мкм.

Часто столбчатые субиндивиды объединяются в макроскопические блоки, разориентированные друг относительно друга. При установке кристалла в спектрометре только часть блоков находится з отражающем положении (удовлетворяют условию Брегга). При повороте кристалла можно добиться того, чтобы любой из блоков находился в отражающем положении.

Углы разориентации блоков и отдельных субиндивидов отличаются у различных кристаллов и составляют

от 1,8° до 3,7°.

Рис.1. Схема внутреннего строения расщепленного кристалла алмаза.

Грани расщепленных кристаллов алмаза имеют полицентрический характер развития и состоят из отдельных

приблизительно параллельно ориентированных и расположенных на различной высоте площадок, форма и ориентация которых совпадает с формой и ориентацией октаэдрической грани кристалла.

Все алмазы данной группы содержат большое количество черных включений, которые представляют собой мельчайшие частицы, равномерно распределенные по всему объему образца.

Расщепление в минералогической литературе подробно описано для кристаллов многих минералов (циркон, кварц, галенит, кальцит и другие). Однако явление расщепления достаточно многообразно. Среди различных типов расщепления, выделенных Д.П.Григорьевым, наиболее близок к наблюдаемому в алмазах П типа тот случай, когда развитие столбчатых субиндивидов происходит в соответствии с закономерностями, напоминающими механизм геометрического отбора в друзовом агрегате. При этом интенсивнее других развиваются те субиндивиды, ориентация которых наиболее близка нормам к грани кристалла. В результате образуются кристаллы, все пирамиды роста которых состоят из столбчатых субпараллельных субиндивидов, ориентированных перпендикулярно к граням алмазов.

4. Двойцики_с]эастан£я_по щ1щк|шшом2 закону отличаются характерными морфологическими особенностями, по которым могут быть выделены визуально. Они имеют форму уплощенных треугольных пластинок, на торцах которых наблюдается двойниковый шов.

Ростовые двойниковые границы при последующей пластической деформации кристалла могут являться стопорами для движения дислокаций и способствовать образованию дислокационных скоплений.

Выявленные ростовые дефекты внутреннего строения алмазов с пониженным содержанием азотных примесей позволяют сделать заключение об условиях и механизме их роста в природе. Определенности в этом вопросе, судя по высказываниям различных авторов, до настоящего времени не было.

Присутствие мощных ростовых дислокаций, расходящихся из центра кристалла, и зональности по {ill} свидетельствует об образовании таких алмазов с пониженным содержащем азотных примесей путем послойно-дислокационного тангенциального механизма роста. Такой механизм роста, как известно, характерен для условий, близких к равновесным.

Формирование тех алмазов П типа, все сектора которых состоят из столбчатых субиндивидов, происходило в результате расщепленного роста. Как установлено экспериментально, причиной расщепления являются высокие локальные напряжения, возникающие при росте, а'также значительное пересыщение в минералообразуыцей среде. Образование

кристаллов данного типа возможно в неравновесных условиях при сильных пересыщениях и больших скоростях роста.

Обнаруженные ростовые элементы в алмазах П типа - дислокации, расходящиеся из центра 1фисталла и от границы периферической зоны роста, столбчатые субиндивиды, зональные и двойниковые границы -присутствуют, как было показано ранее, и в алмазах I типа. Следовательно, можно заключить, что среди природных кимберлитовых алмазов механизм роста кристаллов П типа не отличался от механизма роста кристаллов I типа.

Пятая глава посвящена исследованию дефектов внутреннего строения, связанных с развитием пластической деформации алмазов. Дефекты деформационного происхождения наиболее часто встречаются в алмазах с пониженным содержанием азотных примесей. В зависимости от характера проявления пластической деформации среди алмазов П типа можно выделить следующие группы кристаллов.

I. Слабо ¡ущстическй аефорщрованаые врастагущ содержат значительное количество дислокаций, плотность которых составляет 10^-10® линий/см^. Использование при проведении настоящих исследований особо тонких алмазных пластин толщиной 300 мкм и специально изготовленного кристаллодержателя позволили впервые в практике рентгенотопографичес-ких исследований получить изображения индивидуальных дислокаций, образовавшихся в алмазе в результате пластической деформации, и установить их прастранственное распределение в объеме кристалла.

.Среди выявленных дислокаций встречаются различные типы. Для части дислокаций характерна прямолинейная конфигурация. Они имеют направления типа (по) и принадлежат плоскостям {ill} . Анализ их погасаний в различных рефлексах свидетельствует, что среди них встречаются как чисто винтовые, так и смешанные шестидесятиградусные дислокации. Причем, в ядре последних имеются свободные связи, которые могут оказывать влияние на электронные свойства алмаза.

В изученных алмазах значительно чаще встречаются дислокации криволинейной конфигурации. На полученных топограммах отмечены дислокационные узлы, а также дислокационные диполи, образовавшиеся в результате взаимодействия двух параллельных близко расположенных дислокаций. В некоторых кристаллах с более высокой плотностью дислокаций в результате их взаимодействия друг с другом формируется объемная дислокационная сетка.

Как известно, у 1фисталлов со структурой алмаза потенциальные барьеры Пайериса для движения дислокаций очень велики. Поэтому дислокации должны располагаться в плотноупакованных плоскостях скольжв-

ния {ill} строго прямолинейно вдоль плотноупакованных направлений типа (ПО) . Однако при повышенных температурах, когда у дислокаций появляется возможность более свободно передвигаться и активно взаимодействовать друг с другом вследствие увеличения амплитуды тепловых колебаний решетки, они искривляются и более свободно распределяются в кристалле, что было показано на примере дислокаций в искусственно деформированных 1фисталлах кремния и германия. Появление большого количества криволинейных дислокаций в природных кристаллах алмаза свидетельствует о том, что их деформация проходила при повышенных температурах, по-видимому, превышавших уровень, когда происходит переход из хрупкого состояния в пластичное. По данным О.Н.Григорьева (1976), Т.Эванса (1976) для алмаза температура перехода хрупкость-пластичность составляет 1200-1300°С. Следовательно, пластическая деформация данных алмазов происходила при температуре 1200-1300°С и выше.

Полученные дифракционные изображения позволяют сделать заключение об источниках дислокаций, образовавшихся в ходе пластической деформации алмаза. Такими источниками служили локализованные дефектные участки, являвшиеся концентраторами напряжений. Из-за микроскопических размеров они обычно не различимы в оптическом микроскопе. Однако в некоторых алмазах видно, что это шкровключения других минералов. Другой тип источников дислокаций - это источники Франка-Рида. Они представляют собой участки дислокаций с закрепленными концами, которые при некотором внешнем напряжении способны генерировать дислокационные петли. В алмазах, судя по известным работам, подобные источники дислокаций обнаружены впервые. Их присутствие, а также характер распределения дислокаций в образце свидетельствуют о том, что пластическая деформация данных алмазов развивалась под воздействием внешних напряжений, а не за счет релаксации напряжений, возникших в процессе роста.

2. Кр&сталлн с це^авномерцым Еа2ДЕеаелейи&м_л&формащ1й отчетливо выявляются по картинам аномального даупреломления.Особенно часто встречаются алмазы, у которых наиболее сильно деформирована периферическая зона. Однако был обнаружен кристалл, у которых пластическая деформация наиболее интенсивно развита в центральной части. При этом почти всегда зона кристалла, деформированная в наибольшей степени, содержит по данным оптико-спектроскопических исследований наименьшее количество азотных примесей. Эти результаты хорошо согласуются с экспериментальными данными о том, что пластическая.деформация алмазов П- типа начинается при более низких напряжениях

по сравнению с алмазами I типа (Т.Эванс, 1965).

На рентгеновских топограммах кристаллов данной группы в периферических,наиболее сильно деформированных зонах,отдельные дислокации не разрешаются. В этих зонах обычно проявляются только отдельные слабо разориентированные блоки.

В центральных зонах алмазов плотность дислокаций меньше на несколько порядков. В одном из изученных кристаллов в центральной зоне были получены изображения индивидуальных дислокаций, которые по конфигурации и типу аналогичны дислокациям, описанным в алмазах предыдущей группы.

Следует отметить, что в одном из алмазов наблюдалась неровная, содержащая большое.количество дефектов.граница мевду центральной и периферической' .зонами роста, что, по-видимому, связано с дискретностью процесса алмазообразования.

3. £ильдо_пластцчески_десрорыи2°ваЕНЦе_к2и£таллн_имеют характерную коричневую или розовую окраску. В них очень велико количество дислокаций, плотность которых значительно превышает ТО^линий/см^ (предел разрешения метода рентгеновской топографии).

В кристаллах данной группы отчетливо проявляются линии трансляционного скольжения по плоскостям {ill} • В различных кристаллах присутствуют линии одной или двух систем скольжения, пересекающиеся под углом 70,6 градусов. В тех алмазах, деформация которых происходила цри достаточно низких температурах, линии скольжения тлеют отчетливую и прямолинейную конфигурацию.

Искривление линий скольжения свидетельствует о более высоких температурах деформации.

В одном из щэисталлов, как видно на рентгеновских топограммах, линии скольжения по плоскости (III) пересекают и искажают линии скольжения по плоскости (Til). Это свидетельствует о том, что скольжение по последней системе началось позднее и что преимущественное направление приложения напряжений изменялось во время процесса деформации. На основании этого можно заключить, что пластическая деформация происходила в результате динамических процессов при перемещении кристаллов алмаза. Таким этапом в геологической истории алмазов, согласно существующим представлениям, были процессы дезинтеграции глубинных алмазоносных пород и их вынос к поверхности Еэмли кимберлитами.

Характерной особенностью сильно деформированных алмазов является образование в них отдельных разориентировакных блоков (фрагментов). На рентгеновских топограммах они проявляются за счет ориента-

ционного контраста. Угол взаимной разориентации отдельных блоков в изученных кристаллах изменяется от 0°20' до 3°20*. Их средний размер составляет 50-1000 мкм.

В некоторых алмазах помимо отдельных разориентированных блоков наблюдается крупномасштабный изгиб всего образца. По этой причине на рентгеновских топограммах образуются отдельные области без изображения. Для получения полного изображения таких кристаллов рентгенотопографическая съемка проводилась последовательно на одну плаотинку при двух различных углах Брэгга, каждый из которых соответствовал отражающему положению наиболее значительно разориентированных областей.

Следует отметить, что в ранних работах пластическую деформацию кристаллов рассматривали как суперпозицию сравнительно независимых движений отдельных дислокаций (Ж.Фридель, 1967).В последние годы показано, что такой подход справедлив только для ее начальных стадий. При высокой степени пластической деформации в кристалле возникают поворотные моменты, которые приводят к появлению в нем отдельных разориентированных блоков (фрагментов). В качестве механизма ротационной пластичности предлагается рассматривать движение и размножение дисклинаций (Панин, 1986). Полученные данные о внутреннем строении пластически деформированных алмазов находят убедительное объяснение в рамках данного подхода.

4. £р£С£а,шщ о ¡хроязущщюм ^е^а^кчеокого ^¡фодвойщпсов§щ1я_ до настоящего времени не были исследованы среди природных алмазов с использованием рентгеновских методов.

Анализ рентгенотопографических изображений от различных рефлексов показал, что в одном из изученных кристаллов присутствуют микродвойкиковые прослойки с плоскостями двойникования (Iii) и (III). Многочисленные микродвойники проходят через весь объем кристалла, пересекая все секторы роста. Они достаточно тонкие и четкие Их толщина достигает 20 мкм. Иногда микродвойниковые пластинки ока: чиваются внутри кристалла, не достигая его поверхности.

Явление механического микродвойникования, как известно, достаточно широко распространено среди природных минералов. Оно установлено у представителей почти всех классов.

Структура алмаза, как известно, является высокосимметричной. Поэтому пластическая деформация кристаллов алмаза обычно происходит путем скольжения, а не путем механического двойникования. Для развития микродвойников в таких кристаллах необходимы специфические условия деформации - пониженные температуры процесса при крат-

, повременном приложении нагрузки (при ударных воздействиях). По-видимому, при извержении кимберлитовой магмы в отдельных частях ким-бердитовых тел алмазы испытывает ударные воздействия при относительно низких температурах, что и приводит к развитии пластической деформации в них путем механического микродвойникования.

В шестой главе приведены результаты исследования влияния дефектов внутреннего строения алмазов на качество изготовляемых из них электронных приборов на примере детекторов ионизирущих излучений. Детекторы были изготовлены из тех же алмазов, для которых были получены рентгеновские топограммы.

Проведенные испытания детекторов показали, что работоспособными являются приблизительно 30$ из них несмотря на то, что для их изготовления были использованы только алмазы с пониженным- содержанием структурных примесей азота. Не пригодными для изготовления детекторов оказались алмазы, содержащие только ростовые дефекты -ростовые дислокации, расходящиеся из центра кристалла и от внутренней границы периферической зоны роста, столбчатые субиндивиды, двойниковые границы. Кдинственный детектор, полученный из одного из расщепленных кристаллов, работал в токовом режиме, т.е. относился к приборам с самым низким качеством.

Среди алмазов, подвергшихся воздействию процессов пластической деформации, не пригодными для создания детекторов оказались кристаллы с неравномерным распределением деформаций и сильно пластически деформированные кристаллы. Почти все детекторы, изготовленные из слабо пластически деформированных алмазов, были работоспособными. Причем, среди них были цриборы, регистрировавшие излучение и в счетном, и в спектрометрическом режимах. Детектор, изготовленный из алмаза с механическим мжродвойникованием работал в счетном режиме, но в нем наблюдались осцилляции тока.

В слабо деформированных кристаллах плотность дислокаций составляет Ю3-Ю6 линий/см2. В сильно деформированных алмазах эта величина значительно превышает уровень 10 линий/см2. Плотность ростовых дислокаций в изученных кристаллах не превышает 102лшшй/см^. Следовательно, для изготовления качественных детекторов наиболее благоприятны алмазы с определенной плотностью дислокаций - Ю3-Ю6 линий/см2.

Другим фактором, влияющим на работоспособность детекторов, является величина угла разориентации отдельных блоков. Работоспособные детекторы были получены только из тех кристаллов, у которых углы разориентации отдельных блоков не превышали 0°3'.

Полученные данные можно объяснить следующим образом. Не исключено, что при воздействии ионизирующего излучения на алмаз дислокации, содержащие в ядре ненасыщенные связи, могут действовать " в качестве генераторов свободных носителей заряда. В то же время большое количество дислокаций препятствует движению свободных носителей, так как вокруг них накапливается пространственный заряд, вследствие чего детектор становится не работоспособным.

Таким образом, результаты проведенных исследований свидетельствуют, что на качество электронных приборов на основе алмаза оказывают влияние не только примеси азота, но и дефекты внутреннего строения природных кристаллов, что необходимо учитывать при проведении отбора и аттестации алмазного сырья для электроники.

В заключении сформулированы основные выводы, сделанные на основании результатов проведенных исследований:

1.Предложена классификация алмазов с пониженным содержанием структурных примесей азота в зависимости от присутствия в них различных дефектов внутреннего строения, сформировавшихся как во время роста, так и в результате эпигенетических процессов пластической деформации.

2. В природных кристаллах алмаза П типа выявлены ростовые дефекты - дислокации, расходящиеся из центра кристалла и от границ периферических зон роста, столбчатые субиндивиды, зональные и двойниковые границы и т.д., которые аналогичны ростовым дефектам, описанным ранее в алмазах I типа.

3. Исследовано внутреннее строение расщепленных кристаллов алмаза, все октаэдрические сектора роста которых состоят из столбчатых субиндиввдов, развивающихся от границ соседних секторов роста к поверхности кристалла и имеющих углы разориентации от 1,8 до 3,7°.

4. Показано многообразие проявлений пластической деформации в алмазах с пониженным содержанием структурных примесей азота. 1Три относительно невысоких внешних нагрузках в алмазах образуются принадлежащие направлениям (по) дислокации, различных типов и конфигураций, плотность которых составляет 10 -10® линий/см^. При более значительных внешних напряжениях в алмазах образуются линии трансляционного скольжения по плоскостям [ш], плотность дислокаций превышает уровень ю' линий/см^, появляется коричневая окраска, а также по механизму ротационной пластичности формируются отдель-

о '

ные блоки о углом разориентации до 3 20 .

5. В некоторых природных алмазах П типа выявлены механические микродвойники, имеющие толщину до 20 мкм.и пересекающие все сектора роста 1фисталла. Их образование свидетельствует о том, что пластическая деформация данных кристаллов происходила при пониженных температурах и ударных воздействиях.

6. В спектрах комбинационного рассеяния установлены новые линии с частотами 928, 1105, 1238 появление которых обусловлено, по-видимому, присутствием дефектов, формирующимися в ходе низкотемпературной пластической деформации в результате бездиффузионных сдвиговых превращений.

7.Показано,что для изготовления детекторов ионизирувдих излучений пригодны те алмазы с пониженным содержанием структурных примесей азота, в которых плотность дислокаций составляет 10 -10®ли-ний/см^ и угол разориентации блоков не превышает 0°3', т.е. при проведении отбора и аттестации природных алмазов для электронной техники необходимо контролировать не только содержание азотных примесей, но и присутствие дефектов внутреннего строения кристаллов.

Основные материалы диссертации опубликованы в следупцих работах:

1. Титков C.B., Махин А.И. Об отражении механизма роста в морфологических особенностях некоторых разновидностей кристаллов алмаза // Геммология-2/Тезиси докладов Второго Всесоюзного геммологического совещания. - Черноголовка, 1989. - C.II6-II8.

2. Титков C.B., Марфунин A.C., Зайцева Т.М., Смольский И.Л., Кулаков В.М. К вопросу о внутреннем строении "безазотных" алмазов //Основные направления повышения эффективности и качества геологоразведочных работ на алмазы/Тез.докл.Всесоюз.совещания. - Иркутск, I990T. - С.280-282.

3. Титков C.B., Марфунин A.C., Зайцева Т.М., Смольский И.Л., Кулаков В.М. Рентгенотопографическое исследование расщепленных щжсталлов "безазотных" алмазов// Известия АН СССР. Сер.Геологичес-кая. - 1991 - № 5 - С.104-109.

4. Марфунин A.C., Гйтков C.B.Проблемы минералогии природных алмазов в связи с их применением в электронике// Перспективы применения алмазов в электронике и электронной технике/ Тез. докл. Чсесоюзн. конф. - М.,1991. - С.15-17.

)

5.Титков C.B., Марфунин A.C., Зайцева T.M., Смольский И.Л. внутреннее строение алмазов с пониженным содержанием азотных примесей// Минер. журн.(в печати).

6. Зайцева Т.М., Зезин Р.Б., Кулаков З.М., Титков C.B., Хрунор З.С. О влиянии дефектов внутреннего строения алмазов с пониженным содержанием азота на качество детекторов ионизирующих излучений // Геммология алмаза / Тр. ГКНалмаззолото (в печати).

Подписано к печати Об,

Формат 60x90/16. Усл. печ. л. "1 ! О Уч.-изд.л. О Тираж 100 экз. Заказ № 15} H

Ордена 'Знак Почета" издательство-Московского университета. 103009, Москва, ул. Герцена, 5/7. Типография ордена 'Знак Почета* издательства МГУ. 119899, Москва, Ленинские горы