Vers la synthèse de diamants sans défauts

Publié par Redbran le 25/06/2017 à 00:00
Source: CNRS
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Malgré les importants progrès réalisés dans la fabrication de diamants synthétiques, l'absence de défauts cristallins, tels que les dislocations, reste encore difficile à obtenir. Des chercheurs du Laboratoire des sciences des procédés et des matériaux (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en...) du CNRS ont mis au point une stratégie (La stratégie - du grec stratos qui signifie « armée » et ageîn qui signifie...) de croissance des diamants qui réduit fortement voire élimine la propagation de ces défauts.


Symbole de pureté et de perfection, le diamant est un minéral précieux, qui, outre la joaillerie (La joaillerie est étymologiquement l'art de fabriquer des joyaux, et plus largement des objets...), intéresse toujours davantage l'industrie. Ses formidables propriétés en font un matériau (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne...) de choix pour de nombreuses applications. Cet assemblage d'atomes de carbone (Le carbone est un élément chimique de la famille des cristallogènes, de symbole C,...) possède en effet une dureté (Il existe différentes définitions de la dureté : pour un solide (minéral ou métal) et...) et une conductivité thermique (La conductivité thermique est une grandeur physique caractérisant le comportement des...) exceptionnelles, dispose d'une grande stabilité chimique et est transparent optiquement jusque dans le domaine de l'ultraviolet (Le rayonnement ultraviolet (UV) est un rayonnement électromagnétique d'une longueur...).

Formé naturellement au sein du manteau terrestre dans des conditions de pression et de température (La température est une grandeur physique mesurée à l'aide d'un thermomètre et...) extrêmes, il peut également être produit sous forme synthétique par différents procédés physiques et chimiques. En particulier, le dépôt chimique en phase vapeur assisté par plasma (PACVD) s'appuie sur un mélange (Un mélange est une association de deux ou plusieurs substances solides, liquides ou gazeuses...) gazeux de méthane (Le méthane est un hydrocarbure de formule brute CH4. C'est le plus simple composé de la...) et de dihydrogène (Le dihydrogène est la forme moléculaire de l'élément hydrogène, qui existe...). Suite à l'activation (Activation peut faire référence à :) de la phase vapeur sous forme de plasma, les radicaux formés se déposent et cristallisent sur un substrat germe de diamant. Les monocristaux millimétriques ainsi obtenus de manière reproductible disposent alors d'un niveau de pureté bien supérieur à celui des meilleurs diamants naturels.

Mais la technique peine encore à produire des diamants synthétiques exempts de défauts. Fréquemment observées au moment de la croissance des diamants, les dislocations sont des distorsions qui s'installent dans l'empilement régulier des atomes de carbone du réseau cristallin, se propagent et s'étendent ensuite de façon linéaire dans le matériau. Au final, elles engendrent des contraintes mécaniques, à l'origine de biréfringence optique, de courants de fuite dans les composants électroniques ou d'une luminescence (La luminescence est une émission de lumière dite "froide", par opposition à l'incandescence qui...) de fond, qui pénalisent fortement les applications futures. Leur développement peut toutefois être limité par l'utilisation de germes de diamant d'une qualité exceptionnelle, mais qui restent peu disponibles et très chers.

Des chercheurs du Laboratoire des sciences des procédés et des matériaux(CNRS) ont élaboré une stratégie inédite de croissance basée sur des germes de diamant de qualité standard (1) et d'un coût modéré. Ils ont décidé de retirer l'intérieur du cristal germe afin de favoriser la croissance latérale des diamants. Sur ces germes de forme annulaire, les dislocations se propagent alors horizontalement et se retrouvent piégées dans les secteurs latéraux élargis, conduisant à des densités de dix à cent fois inférieures à celles d'un procédé standard.

Ce procédé breveté (2) promet l'exploitation d'un matériau de plus en plus proche de la perfection qui trouverait sa place, par exemple, dans la fabrication de composants électroniques de puissance plus performants ou de capteurs (Un capteur est un dispositif qui transforme l'état d'une grandeur physique observée en une...) magnétiques ultra-sensibles.


Note:
(1) A. Tallaire, O. Brinza, V. Mille, L. William, J. Achard, Reduction of Dislocations in Single Crystal Diamond by Lateral Growth over a Macroscopic Hole, Advanced Materials, DOI 10.1002/adma.201604823 (2017).

(2) Brevet FR1556770, en copropriété CNRS/Université Paris 13, "Elimination des dislocations dans un monocristal" déposé le 17/07/2015 et étendu le 07/12/2016 (WO2017012925).
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