A nanokristályos gyémántot számítógépes merevlemezek védőbevonataként is használják, de az anyag kiemelkedő mechanikai, optikai és termikus tulajdonságai újabb alkalmazások előtt nyithatják meg a kaput. Intenzív fejlesztések folynak például az elektronikai iparban, a kvantumtechnológiában és a nanoméretű képalkotásban is. Rendkívüli előnyt jelent, hogy a gyémánt kémiailag ellenálló, bio- és hemokompatibilis anyag, ezért a fluoreszcens nanogyémánt alkalmazása optikai jelölésre a biológiában, a gyógyászatban és a biológiához kapcsolódó más területeken a nanofizika egyik vezető kutatási iránya.

Posztdoktori kutatásaim – Intenzíven lumineszkáló színcentrumok létrehozása nanokristályos gyémántban – a fényt kibocsátó nanogyémánthoz kapcsolódtak. A gyémánt rendkívüli keménységét annak köszönheti, hogy a kristályrácsában található szénatomok erős, kovalens kötéssel kapcsolódnak össze. Munkám során optikailag aktív hibahelyeket, ún. színcentrumokat hozok létre úgy, hogy különböző szennyező atomokat juttatok be a nanogyémánt kristályrácsába. Ha a létrehozott színcentrumot adott monokromatikus fénnyel (lézerrel) világítom meg (gerjesztem), akkor másik hullámhosszú fényt bocsát ki, ami általában nagyobb hullámhosszú, azaz kisebb energiájú, mint a gerjesztés. Ezt a fénykibocsátási folyamatot nevezzük fotolumineszcenciának.

A nanogyémántban kedvező optikai tulajdonságú színcentrumokat hozhatunk létre. Különböző atomok szerkezetbe való juttatásával stabil, intenzív és keskeny emissziós sávval rendelkező színcentrumok keletkeznek. Az emisszió hullámhossza pedig függ attól, hogy milyen szennyező atomot juttatunk be a gyémánt kristályrácsába, ily módon az emisszió hangolható az ultraibolya tartománytól egészen a közeli infravörösig (ez valamivel nagyobb, mint az emberi szem számára látható tartomány). Ennek megfelelően az alkalmazás is széles spektrumú.

A projektben olyan módszer kidolgozását tűztem ki célul, amellyel a színcentrumokat egyszerűen, akár egy lépésben is létre lehet hozni. Technológiailag ugyanis ma még egyáltalán nem egyszerű feladat nanogyémántban olyan színcentrumok létrehozása, melyek stabil, intenzív, keskeny sávú lumineszcenciát mutatnak szobahőmérsékleten. Tehát kettős célt tűztem magam elé.

A projekt első részében megépítettünk egy „mikrohullámú plazmával segített kémiai gőzfázisú leválasztórendszert”, mely alkalmas nanogyémánt szemcsék növesztésére. A berendezéssel rengeteg paramétert szabályozhatunk, ezért a keletkező nanogyémánt jellemzőit is tudjuk változtatni – például a szemcseméretét vagy az optikai tulajdonságait. A nanogyémántot metán és hidrogén gázok keverékéből állítjuk elő. Ezt a gázkeveréket juttatjuk be a plazmatérbe magas hőmérsékleten. A metánban levő szénből elkezd nőni a rétegünk a hordozóra – nálunk általában szilíciumra. A keletkező rétegben eleinte különböző hibridizációjú szénkötések vannak, melyeknek egy részét a plazmában levő hidrogén kimarja, míg végül csak a gyémántszerkezetet alkotó kötések maradnak meg.

A színcentrumok előállítását illetően két út áll előttünk. Az egyik módszer szerint a szennyező atomokat – például a nitrogént, a fémeket (elsősorban nikkelt, krómot) vagy akár a szilíciumot – a növesztési folyamat során juttatjuk be a gyémántba. Ezek az anyagok a plazmából épülnek be a nanogyémánt szerkezetébe, és színcentrumot hoznak létre. A másik módszer során utólagosan juttatjuk (implantáljuk) a szennyező atomokat a nanogyémánt szemcsébe vagy rétegbe. Ennek a módszernek azonban megvannak a maga korlátai, ezért nem alkalmas minden szennyező atom bejuttatására. További problémát okoz az is, hogy a nanogyémánt szerkezete sérül implantálás során, ezért utólagos komplex hőkezelési eljárásra van szükség, hogy visszaállítsuk a gyémánt struktúráját.

A színcentrumok létrehozása után különböző spektroszkópiai módszerekkel vizsgáljuk meg a mintákat. A nanokristályos gyémántminták kötésszerkezetének jellemzésére Raman- spektroszkópiát, míg a színcentrumok optikai jellemzésére fotolumineszcencia módszert használunk. A kapott eredmények alapján az előállítási paraméterek szisztematikus változtatásával optimalizáljuk a kialakított struktúrákat.

Lézerek működés közben

A projekt keretében két fontos színcentrumot állítottam elő nanogyémántban. Igazoltam, hogy a különböző kisenergiás implantációs módszerek – utólagos komplex hőkezelési eljárásokkal kombinálva – alkalmasak nitrogén-tartalmú színcentrumok előállítására nanogyémánt szemcsékben. Ezzel a módszerrel sikeresen létrehoztam nanogyémánt-szemcsékben egy mélykék (415 nm) tartományban emittáló nitrogén-tartalmú színcentrumot (N3) és meghatároztam a spektrális jellemzőit. Ez a színcentrum a későbbiekben alkalmas lehet szilárdtestlézerek aktív anyagaként vagy fénykibocsátó diódákhoz (LED-ek) való felhasználásra. Továbbá, mikrohullámú kémiai gőzfázisú leválasztás segítségével létrehoztam egy eddig még nem dokumentált, nikkelt és szilíciumot tartalmazó komplex optikai centrumot nanogyémánt-szemcsékben, melynek emissziója a közeli infravörös (865 nm) tartományba esik. Ez a színcentrum különösen az orvosi és biológiai alkalmazások számára kiemelt fontosságú, ugyanis mind a gerjesztési, mind pedig az emissziós tartománya az élő szövet által átlátszó tartományba esik. 

A projekt lezárása után is maradt tennivaló: szeretnénk további stabil, intenzíven lumineszkáló színcentrumokat kialakítani külső szennyező atomok nano- és mikrokristályos szemcsékbe és vékonyrétegekbe történő beágyazásával, és maximalizálni a színcentrumok emisszióját (pl. plazmonikus erősítéssel).

Szeretnék köszönetet mondani az NKFI Hivatalnak posztdoktori pályázatom támogatásáért, ami jelentős mértékben hozzájárult ennek a érdekes kutatásnak a sikeres megvalósításához. Az eddigi eredmények nagyon ígéretesek, és további hazai és nemzetközi pályázatok beadását teszik lehetővé.

2016. szeptember