С помощью компьютерного моделирования физикам впервые удалось показать, как и за счет чего происходит образование аморфных углеродных пленок с повышенным содержанием тетраэдрического углерода, который делает его по механическим характеристикам близким к алмазу. Смоделировать процесс получения такого вещества удалось, в частности, благодаря использованию машинного обучения при расчете потенциала взаимодействия атомов между собой, пишут ученые в Physical Review Letters.

Кроме известных кристаллических модификаций углерода, наиболее устойчивых при комнатной температуре, — алмаза и графита — у углерода существуют и аморфные фазы различной структуры. Одна из наиболее интересных с точки зрения возможных применений — это тетраэдрический аморфный углерод. Как и в алмазе, для большинства атомов углерода внутри такого материала характерна sp3-гибридизация и, соответственно, тетраэдрическое окружение, только образуют атомы не упорядоченную кристаллическую структуру, а расположены хаотически.

Экспериментальные методы получения пленок тетраэдрического аморфного углерода сейчас разработаны достаточно хорошо: например с помощью бомбардировки кристаллической углеродной поверхности высокоэнергетическими ионами можно получать аморфный материал, который содержит до 90 процентов тетраэдрического углерода. Однако почему и по каким механизмам такие пленки образуются, до сих пор до конца понятно не было. Смоделировать образование тетраэдрического аморфного углерода и условий, необходимых для этого, довольно сложно из-за того, что углерод может находиться в нескольких различных гибридизационных состояниях, из-за чего и у такой системы очень большое число степеней свободы.

Физикам из Финляндии и Великобритании под руководством Габора Цаны (Gábor Csányi) из Кембриджского университета впервые удалось смоделировать процесс образования пленки аморфного углерода с большим содержанием атомов с тетраэдрическим окружением, которые соответствуют известным экспериментальным данным и объясняют механизм ее роста. Чтобы провести такое моделирование, сначала с помощью машинного обучения ученые подобрали потенциал взаимодействия между атомами углерода — эту задачу сложно было бы решить классическими методами моделирования из-за очень большого объема необходимых вычислений. Для обучения алгоритма использовались данные, полученные численно с использованием теории функционала плотности.

Aalto University

После этого с использованием полученного потенциала уже с помощью традиционного метода молекулярной динамики ученые смоделировали процесс осаждения высокоэнергетических ионов углерода на углеродную подложку. Моделируемая система состояла из нескольких тысяч атомов и воспроизводила участок реального материала площадью примерно 15 квадратных нанометров. В результате ученым удалось точно описать известные экспериментальные результаты, в частности, данные о доле тетраэдрического углерода в аморфной пленке в зависимости от энергии ионов, а также другие характеристики материала, например его модуль упругости, функцию радиального распределения атомов в пленке и структурный фактор — показатели степени упорядоченности структуры и ее взаимодействия с попадающим на нее излучением.

Сравнение экспериментальных данных (черная сплошная линия) с результатами моделирования (красный пунктир) для функции радиального распределения (сверху) и структурного фактора (снизу). M. A. Caro et al./ Physical Review Letters, 2018

Кроме воспроизведения экспериментальных данных, с помощью компьютерного моделирования физикам удалось установить механизм, по которому происходит рост такой пленки. Оказалось, что этот механизм довольно сильно отличается от того, который предполагался раньше. До этого считалось, что образование аморфного углерода происходит по механизму «субплантации»: при попадании высокоэнергетического иона в уже сформировавшуюся пленку в очень небольшом объеме вокруг него происходит перераспределение связей с формированием тетраэдрической структуры, в результате релаксации структуры после этого и происходит рост аморфной пленки. Однако моделирование показало, что тетраэдрический аморфный углерод образуется по другому механизму. При попадании иона, летящего с большой скоростью на поверхность углеродного материала, атомы углерода в пленке «раздвигаются», освобождая место для нового атома, в результате чего структура сжимается и плоский sp2-гибридизированный углерод приобретает тетраэдрическую структуру с sp3-гибридизацией. Из-за этого смещения пленка также немного увеличивает свою толщину, сдвигаясь вверх и перемещая плоский гексагональный углерод к поверхности.

Схематическое изображение двух механизмов роста тетраэдрической аморфной углеродной пленки: субплантация (слева) — механизм, считавшийся ответственным за рост пленки ранее, и механизм, предложенный в данной работе (справа). M. A. Caro et al./ Physical Review Letters, 2018

Авторы работы отмечают, что в проведенном исследовании впервые удалось получить точные количественные данные о структуре известного аморфного материала и механизме его образования. Поэтому физики предполагают, что методы машинного обучения в ближайшем будущем станут одним из важных инструментов для моделирования кристаллических и аморфных материалов.

Тетраэдрический аморфный углерод — далеко не единственная необычный материал, который удается получить из этого элемента. О других формах углерода, в частности графене, карбине, фуллеренах и углеродных нанотрубках вы можете прочитать в нашем материале «Семь обличий углерода».

Автор: Александр Дубов