DOI: 10.17586/1023-5086-2018-85-02-03-14

УДК: 548.4, 535.37, 548.23, 548.75, 538.958, 54.05, 54-162, 54-724, 535-15, 538.97, 539.21

Исследование NV(–) центров и интерфейсов кристаллитов в синтетических моно- и поликристаллических наноалмазах методами оптической флуоресцентной и микроволновой спектроскопии

Осипов В.Ю., Романов Н.М., Богданов К.В., Treussart F., Jentgens C., Rampersaud A.

Полный текст на elibrary.ru

Публикация в Journal of Optical Technology

Ссылка для цитирования:

Осипов В.Ю., Романов Н.М., Богданов К.В., Treussart F., Jentgens C., Rampersaud A. Исследование NV(–) центров и интерфейсов кристаллитов в синтетических моно- и поликристаллических наноалмазах методами оптической флуоресцентной и микроволновой спектроскопии // Оптический журнал. 2018. Т. 85. № 2. С. 3–14. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2018-85-02-03-14

Osipov V.Yu., Romanov N.M., Bogdanov K.V., Treussart F., Jentgens C., Rampersaud A. Investigation of NV(−) centers and crystallite interfaces in synthetic single-crystal and polycrystalline nanodiamonds by optical fluorescence and microwave spectroscopy [in Russian] // Opticheskii Zhurnal. 2018. V. 85. № 2. P. 3–14. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2018-85-02-03-14

Ссылка на англоязычную версию:

V. Yu. Osipov, N. M. Romanov, K. V. Bogdanov, F. Treussart, C. Jentgens, and A. Rampersaud, "Investigation of NV⁽⁻⁾ centers and crystallite interfaces in synthetic single-crystal and polycrystalline nanodiamonds by optical fluorescence and microwave spectroscopy," Journal of Optical Technology. 85(2), 63-72 (2018). https://doi.org/10.1364/JOT.85.000063

Аннотация:

Исследованы три типа алмазных наночастиц с размерами от 5 до 1000 нм, имеющих в кристаллической решётке азот-вакансионные (NV) центры: детонационные алмазы (ДНА), поликристаллические алмазы динамического синтеза и монокристаллические алмазы статического синтеза. Исследованы спектры электронного парамагнитного резонанса, люминесценции и инфракрасного поглощения этих материалов. В ДНА концентрация NV(–) центров составляет 2,7 млн–1 и является рекордно высокой для частиц размерного диапазона до 7 нм. В поликристаллических алмазах концентрация NV(–) центров на порядок меньше и зависит от среднего размера поликристаллических частиц, достигая максимума в среднем диапазоне размеров при 180 нм. Наибольшая яркость люминесценции реализуется в 100 нм частицах синтетического Ib алмаза, подвергнутых облучению высокоэнергетическими электронами и отжигу. Последние с концентрацией NV(–) около 4 млн–1 могут использоваться в качестве флуоресцентных меток на наноуровне.

Ключевые слова:

люминесценция, инфракрасная спектроскопия, электронный парамагнитный резонанс, наноалмаз, поликристаллы, ударно-волновой синтез, межзёренные границы, центры люминесценции, поверхностные функциональные группы

Благодарность:

Авторы благодарят профессора Такуи Хаяши из университета Шиншу (г. Нагано, Япония) за помощь в получении изображений частиц с помощью просвечивающего электронного микроскопа высокого разрешения. Исследования в ФТИ им. А.Ф. Иоффе выполнены при финансовой поддержке Российского научного фонда (проект # 14–13–00795). В.Ю. Осипов благодарит университет Хосеи (г. Токио, Япония) и программу JSPS IF01 No. L17526 за содействие и поддержку. К.В. Богданов благодарит РФФИ (проект # 17-52-50004 ЯФ_а) за финансовую поддержку.

Коды OCIS: 160.4236, 160.2540, 300.6370, 300.6280, 300.6340, 350.3850

Список источников:

1. Detonation nanodiamonds: Science and applications / Ed. by Vul’ A., Shenderova O. Singapore: Pan Stanford, 2014. 346 p.
2. Mochalin V.N., Shenderova O., Ho D., Gogotsi Y. The properties and applications of nanodiamonds // Nature Nanotechnology. 2012. V. 7. № 1. P. 11–23.
3. Shenderova O., McGuire G. Science and engineering of nanodiamond particle surfaces for biological applications // Biointerphases. 2015. V. 10. P. 030802.
4. Hazen R.M. The new diamond makers: diamonds by explosion. (ch.11). The Diamond Makers. Cambridge: Cambridge University Press, 1999. P. 190–198.
5. Beard J. Explosive mixtures // New Scientists (IPC Magasines Ltd., London). 1988. № 1637. P. 43–47.
6. Teasley L.N., Bailey N.F., Bergmann O.R. Micropolycrystalline diamond by shock synthesis: advances in performance and property characterization. Elecrochemically Society Proceedings. Proceedings of the V symposium on Diamond Materials. Ed. by Davidson J.L. et al. Pennington. USA: Electrochemical Society Inc., 1998. V. 97–32. P. 48–57.

7. Ownby P.D. Nano 6H diamond polytype polycrystalline powder // NSTI-Nanotech. 2004. V. 3. P. 210–213.
8. Shames A.I., Osipov V.Yu., von Bardeleben H.J., Vul` A.Ya. Spin S = 1 centers: a universal type of paramagnetic defects in nanodiamonds of dynamic synthesis // J. Phys.: Condens. Matter. 2012. V. 24. № 22. P. 225302.
9. Loubser J.H.N., van Wyk J.A. Electron spin resonance in the study of diamond // Rep. Prog. Phys. 1978. V. 41. P. 1201–1248.
10. Doherty M.W., Manson N.B., Delaney P., Jelezko F., Wrachtrup J., Hollenberg L.C. The nitrogen-vacancy colour centre in diamond // Phys. Rep. 2013. V. 528. № 1. P. 1–45.
11. Shames A.I., Osipov V.Yu., von Bardeleben H.J., Boudou J.-P., Treussart F., Vul’ A.Ya. Native and induced triplet nitrogen-vacancy centers in nano- and microdiamonds: Half-field electron paramagnetic resonance fingerprint // Appl. Phys. Lett. 2014. V. 104. P. 063107–063111.
12. Shames A.I., Osipov V.Yu., Boudou J.P., Panich A.M., von Bardeleben H.J., Treussart F., Vul` A.Ya. Magnetic resonance tracking of fluorescent nanodiamond fabrication // J. Phys. D-Appl. Phys. 2015. V. 48. № 15. P. 155302 (1–13).
13. Osipov V.Yu., Shames A.I., Enoki T., Takai K., Baidakova M.V., Vul` A.Ya. Paramagnetic defects and exchange coupled spins in pristine ultrananocrystalline diamonds // Diam. Relat. Mat. 2007. V. 16. № 12. P. 2035–2038.
14. Shames A.I., Mogilyansky D., Panich A.M., Sergeev N.A., Olszewski M., Boudou J.-P., Osipov V.Yu. XRD, NMR, and EPR study of polycrystalline micro- and nanodiamonds prepared by a shock wave compression method // Phys. Status Solidi A. 2015. P. 1–10.
15. Bogdanov K.V., Osipov V.Yu., Zhukovskaya M.V., Jentgens C., Treussart F., Hayashi T., Takai K., Fedorov A.V., Baranov A.V. Size-dependent Raman and SiV-center luminescence in polycrystalline nanodiamonds produced by shock wave synthesis // RSC Adv. 2016. V. 6. P. 51783–51790.
16. Shames A.I., Osipov V.Yu., Bogdanov K.V., Baranov A.V., Zhukovskaya M.V., Dalis A., Vagarali S.S., Rampersaud A. Does progressive nitrogen doping intensify negatively charged nitrogen vacancy emission from e-beam-irradiated Ib type high-pressure-high-temperature diamonds? // J. Phys. Chem. C. 2017. V. 121. № 9. P. 5232–5240.
17. Iizuka K., Furukawa Y., Oshima R. Analysis of binding state of heat treated diamond powder // American Journal of Chemistry and Materials Science. 2014. V. 1. № 1. P. 7–10.
18. Colthup N.B., Daly L.H., Wiberley S.E. Introduction to infrared and Raman spectroscopy. New York-London: Academic Press, 1964. 511 p.
19. Xu K., Xue Q. New method for deaggregation of nanodiamond from explosive detonation: graphitization-oxidation method // Физика твердого тела. 2004. Т. 46. В. 4. С. 633–634.
20. Zaitsev A.M. Optical properties of diamond: a data handbook. Berlin- Heidelberg: Springer-Verlag, 2001. 503 p.
21. Rehor I., Slegerova J., Kucka J., Proks V., Petrakova V., Adam M.-P., Treussart F., Turner S., Bals S., Sacha P., Ledvina M., Wen A.M., Steinmetz N.F., Cigler P. Fluorescent nanodiamonds: fluorescent nanodiamonds embedded in biocompatible translucent shells // Small. 2014. V. 10. № 6. P. 1106–1115.
22. Кулакова И.И. Химия поверхности наноалмазов // Физика твердого тела. 2004. Т. 46. В. 4. С. 621–628.
23. Zhu Y.W., Shen X.Q., Wang B.C., Xu X.Y., Feng Z.J. Chemical mechanical modification of nanodiamond in aqueous system // Физика твердого тела. 2004. Т. 46. В. 4. С. 665–667.
24. Osswald S., Yushin G., Mochalin V., Kucheyev S.O., Gogotsi Y. Control of sp2/sp3 carbon ratio and surface chemistry of nanodiamond powders by selective oxidation in air // J. Am. Chem. Soc. 2006. V. 128. № 35. P. 11635–11642.