ВЛИЯНИЕ ЭКСПОЗИЦИИ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ НА МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА 3D С60

  • Fedor S. Khorobrykh Технологический институт сверхтвердых и новых углеродных материалов
  • Valentin D. Churkin Технологический институт сверхтвердых и новых углеродных материалов
  • Mikhail Yu. Popov Технологический институт сверхтвердых и новых углеродных материалов
  • Boris A. Kulnitskiy Технологический институт сверхтвердых и новых углеродных материалов
Ключевые слова: высокие давления, фуллерит, фотоиндуцированные превращения, объемный модуль упругости

Аннотация

В работе исследовано воздействие гидростатического давления до 80 ГПа и экспозиции лазерного излучения на объемный модуль упругости трехмерно полимеризованных состояний 3D C60. Образец C60 нагружался в камере с алмазными наковальнями в окружении NaCl, который применялся в качестве среды, передающей давление. В процессе нагружения под давлением регистрировались Рамановские спектры. Процесс 3D полимеризации наблюдался по Рамановским спектрам, он характеризуется уширением и слиянием высокочастотных мод C60. Спектр 3D C60 состоит из двух широких полос около 1560 см-1и 600 см-1. В нашей работе процесс формирования 3D C60 регистрировался при давлении 28 ГПа. Для исследования влияния экспозиции лазерного излучения на структуру получаемого под давлением 3D C60 были проведены две серии экспериментов, в которых образцы C60подвергались экспозициям, различающимся в 15 раз, на длине волны лазерного излучения 532 нм в диапазоне давлений от 20 до 80 ГПа. Влияние экспозиции на давление, при котором наблюдалось формирование 3D C60, обнаружено не было. Экспериментально установлено, что объемный модуль упругости 3D C60 уменьшается с 571 ГПа до 454 ГПа при увеличении экспозиции излучения в 15 раз. Модуль вычислялся из зависимости Рамановской частоты 1560-1580 см-1 3D C60 от давления. Исследование полученных образцов 3D C60 с помощью просвечивающей электронной микроскопии показало, что в образцах отсутствует дальний порядок. При этом не было выявлено существенных структурных особенностей, с которыми может быть связано наблюдаемое различие в объемных модулях упругости образцов, полученных при разной экспозиции при высоком давлении.

Литература

Popov M., Mordkovich V., Perfilov S., Kirichenko A., Kulnitskiy B., Perezhogin I., Blank V. Synthesis of ultra-hard fullerite with a catalytic 3D polymerization reaction of C60. Carbon. 2014. V. 76. P. 250-256. DOI: 10.1016/j.carbon.2014.04.075.

Blank V.D., Buga S.G., Serebryanaya N.R., Dubitsky G.A., Sulyanov S.N., Popov M.Yu., Denisov V.N., Ivlev A.N., Mavrin B.N. Phase transformations in solid C60 at high pressure-high temperature treatment and structure of 3D polymerized fullerites. Phys. Lett. A. 1996. V. 220. N 1-3. P. 149-157. DOI: 10.1016/0375-9601(96)00483-5.

Kvashnina Y.A., Kvashnin A.G., Popov M.Yu., Kulnitskiy B.A., Perezhogin I.A., Tyukalova E.V., Chernozatonskii L.A., Sorokin P.B., Blank V.D. Toward the Ultra-incompressible Carbon Materials. Computational Simulation and Experimental Observation. J. Phys. Chem. Lett. 2015. V. 6. N 11. P. 2147-2152. DOI: 10.1021/acs.jpclett.5b00748.

Popov M., Churkin V., Kirichenko A., Denisov V., Ovsyannikov D., Kulnitskiy B., Perezhogin I., Aksenenkov V., Blank V. Raman spectra and bulk modulus of nanodiamond in a size interval of 2-5 nm. Nanosc. Res. Lett. 2017. V. 12. N 1. P. 561-566. DOI: 10.1186/s11671-017-2333-0.

Wang L., Liu B., Li H., Yang W., Ding Y., Sinogeikin S.V., Meng Y., Liu Z., Zeng X.C., Mao W.L. Long-range ordered carbon clusters: a crystalline material with amorphous building blocks. Science. 2012. V. 337. N 6096. P. 825-828. DOI: 10.1126/science.1220522.

Du M., Yao M., Dong J., Ge P., Dong Q., Kovats E., Pekker S., Chen S., Liu R., Liu B., Cui T., Sundqvist B., Liu B. New ordered structure of amorphous carbon clusters induced by fullerene–cubane reactions. Adv. Mat. 2018. V. 30. N 22. P. 1706916. DOI: 10.1002/adma.201706916.

Yao M., Cui W., Xiao J., Chen S., Cui J., Liu R., Cui T., Zou B., Liu B., Sundqvist B. Pressure-induced transfor-mation and superhard phase in fullerenes: The effect of solvent intercalation. Appl. Phys. Lett. 2013. V. 103. N 7. P. 071913. DOI: 10.1063/1.4818909.

Yao M., Cui W., Du M., Xiao J., Yang X., Liu S., Liu R., Wang F., Cui T., Sundqvist B., Liu B. Tailoring building blocks and their boundary interaction for the creation of new, potentially superhard, carbon materials. Adv. Mat. 2015. V. 27. N 26. P. 3962-3968. DOI: 10.1002/adma.201500188.

Popov M., Gayazov R., Khadzhiyskiy F., Medvedev V., Krivtsun V., Kirichenko A., Kulnitskiy B., Perezhogin I., Tyukalova E., Blank V. C60 three-dimensional polymerization by impulse heating effect. J. Appl. Phys. 2014. V. 115. N 15. P. 153506. DOI: 10.1063/1.4871777.

Popov M., Kulnitskiy B., Perezhogin I., Mordkovich V., Ovsyannikov D., Perfilov S., Borisova L., Blank V. Cata-lytic 3D polymerization of C60. Fuller., Nanotub. Carb. Nanostr. 2018. V. 26. N 8. P. 465-470. DOI: 10.1080/1536383X.2018.1448388.

Popov M., Alekseev M., Kirichenko A., Kulnitskiy B., Perezhogin I., Tyukalova E., Blank V. Catalytic depoly-merization of ultrahard fullerite. J. Mater. Res. 2015. V. 30. N 11. P. 1772–1778. DOI: 10.1557/jmr.2015.118.

Blank V.D., Buga S.G., Dubitsky G.A., Serebryanaya N.R., Prokhorov V.M., Mavrin B.N., Denisov V.N., Chernozatonskii L.A., Berezina S., Levin V.M. Synthesis of Superhard and Ultrahard Materials by 3D-polymerization of C60, C70 Fullerenes Under High Pressure (15 GPa) and Temperatures up to 1820 K. Zeitschrift fur Naturforschung B. 2006. V. 61. N 12. P. 1547-1554. DOI: 10.1515/znb-2006-1211.

Sundqvist B. Carbon under pressure. Phys. Rep. 2021. V. 909. P. 1-73. DOI: 10.1016/j.physrep.2020.12.007.

Popov M., Kulnitskiy B., Blank V. Superhard materials, based on fullerenes and nanotubes. Comprehen. Hard Mater. 2014. V. 3. P. 515–538. DOI: 10.1016/b978-0-08-096527-7.00057-x.

Blank V.D., Popov M.Yu., Kulnitskiy B.A. The effect of severe plastic deformations on phase transitions and structure of solids. Mat. Trans. 2019. V. 60. N 8. P. 1500-1505. DOI: 10.2320/matertrans.mf201942.

Kvashnina Y.A., Kvashnin A.G., Chernozatonskii L.A., Sorokin P.B. Fullerite-based nanocomposites with ultrahigh stiffness. Theoretical Investigation. Carbon. 2017. V. 115. P. 546-549. DOI: 10.1016/j.carbon.2017.01.028.

Pei C., Wang L. Recent progress on high-pressure and high-temperature studies of fullerenes and related materials. Matt. Rad. Extr. 2019. V. 4. N 2. P. 028201. DOI: 10.1063/1.5086310.

Ferrari A.C., Basko D.M. Raman spectroscopy as a versatile tool for studying the properties of grapheme. Nature Nanotech. 2013. V. 8. P. 235-246. DOI: 10.1038/nnano.2013.46.

Merlen A., Buijnsters J., Pardanaud C.A. Guide to and Review of the Use of Multiwavelength Raman Spectros-copy for Characterizing Defective Aromatic Carbon Solids: from Graphene to Amorphous Carbons. Coatings. 2017. V. 7. N 10. P. 153. DOI: 10.3390/coatings7100153.

Shevchenko N.V., Gorbachev V.A., Chobanyan V.A., Sigalayev S.K., Rizakhanov R.N., Vysotina E.A., Blank V.D., Golubev A.A. Graphitization dynamics of surface of detonation nano and micro diamonds. ChemChemTech [Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. Khim. Khim. Tekhnol.]. 2018. V. 61. N 11. P. 25-30. DOI: 10.6060/ivkkt.20186111.7y.

Verbets D.B., Samoylov V.M., Buchnev L.M., Nakhodnova A.V., Bubnenkov I.A., Steparyova N.N. Influence of conditions of stretching and gas media under graphitation on crystalline structure and properties of high-modulus carbon fibers based on po yacrylonitrile. ChemChemTech [Izv. Vyssh.Uchebn. Zaved. Khim. Khim. Tekhnol.]. 2018. V. 61. N 11. P. 10-18. DOI: 10.6060/ivkkt.20186111.17y.

Popov M. Pressure measurements from Raman spectra of stressed diamond anvils. J. Appl. Phys. 2004. V. 95. N 10. P. 5509-5514. DOI: 10.1063/1.1712018.

Tinder R.F. Tensor Properties of Solids, Part One: Equilibrium Tensor Properties of Solids. Synth. Lect. Eng. 2007. V. 2. N 1. P. 1-144. DOI: 10.2200/S00057ED1V01Y200712ENG04.

Popov M., Churkin V., Ovsyannikov D., Khabibrakhmanov A., Kirichenko A., Skryleva E., Parkhomenko Y., Kuznetsov M., Nosukhin S., Sorokin P., Terentiev S., Blank V. Ultrasmall diamond nanoparticles with unusual incompressibility. Diam. Rel. Mat. 2019. V. 96. P. 52-57. DOI: 10.1016/j.diamond.2019.04.033.

Blank V.D., Churkin V.D., Kulnitskiy B.A., Perezhogin I.A., Kirichenko A.N., Denisov V.N., Erohin S.V., So-rokin P.B., Popov M.Yu. Phase diagram of carbon and the factors limiting the quantity and size of natural diamonds. Nanotechnology. 2018. V. 29. P. 115603. DOI: 10.1088/1361-6528/aaa857.

Опубликован
2021-11-18
Как цитировать
Khorobrykh, F. S., Churkin, V. D., Popov, M. Y., & Kulnitskiy, B. A. (2021). ВЛИЯНИЕ ЭКСПОЗИЦИИ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ НА МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА 3D С60. ИЗВЕСТИЯ ВЫСШИХ УЧЕБНЫХ ЗАВЕДЕНИЙ. СЕРИЯ «ХИМИЯ И ХИМИЧЕСКАЯ ТЕХНОЛОГИЯ», 64(12), 71-75. https://doi.org/10.6060/ivkkt.20216412.9y
Раздел
ХИМИЧЕСКАЯ ТЕХНОЛОГИЯ неорг. и органических веществ, теоретические основы