Данная проблема решается путем подбора элементов конструкции той части установки высокого давления, где происходит рост кристалла, и оптимизацией термодинамических условий роста (давление, температура) и скорости кристаллизации. В настоящий момент максимальный темп роста «особо чистых» монокристаллов алмаза составляет 6—7 мг/ч, а получаемые кристаллы могут иметь вес 7—9 каратов (1,4—1,8 грамма).
В процессе роста также возможно управляемое легирование кристалла оптически и электрически активными примесями (азотом, бором), входящими в решетку алмаза и замещающими в ней отдельные атомы углерода. Наиболее часто алмаз легируют бором, отвечающим за голубую его окраску и полупроводниковые свойства.
Созданные в подмосковном городе Троицке технологии выращивания крупных монокристаллов алмаза (весом до 5 каратов) позволяют управлять концентрацией примесного азота в диапазоне от 1019 до 1016 атомов/см3 и выращивать полупроводниковые монокристаллы p-типа с широким диапазоном удельного электрического сопротивления — от 0,1 до 1013 Ом.см. Возможно также получение слоистых алмазных структур с изменяющимися по толщине оптическими и электрофизическими свойствами. Из выращиваемого сырья изготавливают алмазные наковальни, позволяющие вести исследования свойств веществ и фазовых переходов в них при сверхвысоких давлениях до 2,5 Мбар (около 2,5 миллиона атмосфер). А также производят оптические окна для особо мощных лазеров, высокочувствительные датчики температуры, малоинерционные нагревательные элементы, иглы для сканирующих зондовых микроскопов, датчики ультрафиолетового, рентгеновского и радиационного излучений.
Выращиваемые сегодня в лабораторных и промышленных масштабах сверхчистые и легированные заданными примесями монокристаллы алмаза стоят существенно дороже природных образцов и производятся не для того, чтобы делать из них бриллианты. Особый интерес к данному материалу в последнее время обусловлен не только потребностями экспериментальной физики, но и наметившейся возможностью разработки алмазной электроники. Алмазные микросхемы пока живут только в мечтах физиков-теоретиков, но реальные технологи-практики активно работают над тем, чтобы выращенные в лабораториях ученых кристаллы алмаза были не только чистой воды, но и заданной полупроводящей микроструктуры.
Природные автоклавы
Зарождались и росли алмазы миллиарды лет назад на глубинах в 150—200 км под воздействием высоких температур и давлений. Условия для их роста, как правило, сохранялись в течение нескольких миллионов лет, а затем нарастающее давление выбрасывало их ближе к земной поверхности. После чего они либо оставались на месте (в «коренных» месторождениях), либо под действием ветра и воды извлекались из породы и накапливались во вторичных (россыпных) месторождениях.
До середины XX века основная добыча алмазов приходилась на россыпные месторождения. Их гораздо легче было искать и разрабатывать. Однако эти месторождения, как правило, мелкие и быстро истощаются. После 1990 года более 75% мировой добычи алмазов стало приходиться на долю коренных месторождений, так называемых кимберлитовых трубок. Эти конусообразные, суживающиеся книзу залежи породы выступали своеобразным транспортером, доставляющим алмазы на поверхность земли. Площадь выхода кимберлитовых тел на поверхность различна.
Самая крупная кимберлитовая трубка «Мвадуи» в Танзании имеет поперечник ~1—1,5 км. Глубина разработки трубок доходит до 1 км. Однако далеко не все кимберлитовые трубки являются алмазоносными. Рентабельны только те, в которых содержание алмазов составляет 0,5—5 каратов (0,1—1,0 грамма) на одну тонну породы. Подавляющая часть алмазов обычно имеет размер от долей миллиметра до 4—5 мм, и их масса меньше карата (0,2 грамма).
Бесценные копи
В настоящее время добыча минералов ведется в 26 странах мира, крупнейшими из которых являются Россия, Ботсвана и ЮАР. Ежегодно в мире добывается в среднем 100—110 млн. каратов (20 тонн). В последние годы Россия вышла на первое место по добыче природных алмазов и на второе по их суммарной стоимости. По данным Минфина, объем добычи алмазов в России в первом полугодии 2004 года составил 17,7 млн. карат при средней цене 51 доллар за карат (0,2 грамма). Экспорт необработанных природных алмазов с территории РФ за январь—сентябрь 2004 года составил 23,6 млн. каратов. Доля ювелирных алмазов составляет 20—25%. Основная масса (75—80%) добываемых камней — так называемые технические. Алмазы данной категории благодаря своим высоким абразивным качествам нашли широкое применение в обрабатывающей и бурильной промышленности. Самый большой ювелирный алмаз в мире — «Куллинан», массой 3 106 карат (621,2 грамма), размером 5,5х10х6,5 см, был найден в 1905 году в Трансваале (ЮАР). Впоследствии из него было изготовлено 9 крупных бриллиантов (самый большой «Звезда Африки» — 530,2 карата) и 96 мелких. В процессе огранки было потеряно 66% исходной массы кристалла. Михаил Кузнецов, Сергей Терентьев, кандидат технических наук, Сергей Носухин Редакция благодарит за помощь в подготовке материала ФГУ ТИСНУМ
Южный форпост геополитики
Пятьдесят лет назад Первая советская антарктическая экспедиция положила начало систематическим отечественным исследованиям шестого континента. Активное освоение Антарктики, начавшееся в середине XX века, требовало серьезных практических шагов, наиболее весомыми из которых стали открытие на материке научных баз и организация постоянно действующих антарктических экспедиций.
Для воплощения программы исследований была образована Комплексная антарктическая экспедиция Академии наук СССР (КАЭ), за организацию которой взялись Отдел морских экспедиционных работ АН СССР, возглавляемый И.Д. Папаниным, и Главное управление Севморпути. 13 июля 1955 года проект 1-й КАЭ был утвержден Советом министров СССР. Начальником экспедиции назначили доктора географических наук Героя Советского Союза М. Сомова. Было выработано несколько обширных направлений работы: изучение атмосферных процессов в Антарктиде и влияние их на общую циркуляцию воздушных масс Земли, выявление основных закономерностей перемещения антарктических вод, составление физико-географического описания всего региона и ледников, геологическая характеристика района. Одной из важнейших задач было создание научной станции на побережье материка и организация базы в глубине южнополярной области. К научным работам прибавились и экономические задачи поиска новых районов китобойного промысла. 30 ноября 1955 года флагманское судно 1-й КАЭ, дизель-электроход «Обь», покинуло Калининград. Позднее вслед за ним отправились дизель-электроход «Лена» и рефрижератор № 7. Суда двигались к наименее исследованному району Восточной Антарктиды, где надлежало построить научный поселок и оставить на зимовку около 100 человек.