Des chercheurs ont mis au point une méthode permettant de faire pousser des diamants sous basse pression et basse température, révolutionnant ainsi le processus traditionnel de production de diamants synthétiques et élargissant les possibilités d’avancées scientifiques et technologiques.
Des scientifiques ont créé un nouveau système d’alliage métallique liquide permettant de produire des diamants dans des conditions modérées.
Saviez-vous que 99 % des diamants synthétiques sont produits à l'aide de méthodes à haute pression et haute température (HPHT) ? On pense généralement que les diamants ne peuvent être cultivés qu'avec des catalyseurs à métal liquide à des pressions de 5 à 6 gigapascals (environ 50 000 à 60 000 atmosphères) et à des températures comprises entre 1 300 et 1 600 °C. Cependant, la taille des diamants produits par HPHT est généralement limitée à environ un centimètre cube en raison des limites du procédé.
En d’autres termes, il est impossible d’atteindre des pressions aussi élevées sans une échelle de longueur relativement petite. La découverte de méthodes alternatives pour fabriquer des diamants dans du métal liquide dans des conditions plus douces (en particulier à une pression plus faible) constitue un défi scientifique fondamental fascinant qui, s’il était relevé, pourrait révolutionner la fabrication des diamants. Le paradigme dominant pourrait-il être remis en question ?
Une équipe de chercheurs dirigée par le directeur Rod Ruoff au Centre des matériaux en carbone multidimensionnels (CMCM) de l'Institut des sciences fondamentales (IBS), comprenant des étudiants diplômés de l'Institut national des sciences et technologies d'Ulsan (UNIST), a fait pousser des diamants dans des conditions de pression de 1 atmosphère et à 1025 °C en utilisant un métal liquide alliage composé de gallium, de fer, de nickel et de silicium, brisant ainsi le paradigme existantLa découverte de cette nouvelle méthode de croissance ouvre de nombreuses possibilités pour de nouvelles études scientifiques fondamentales et pour accélérer la croissance des diamants de nouvelles manières.
Améliorer l'efficacité expérimentale
Le directeur Ruoff, qui est également professeur émérite de l'UNIST, note : « Cette percée révolutionnaire est le résultat de l'ingéniosité humaine, d'efforts incessants et de la coopération concertée de nombreux collaborateurs. » Les chercheurs dirigés par Ruoff ont mené une série d'expériences, impliquant plusieurs centaines d'ajustements de paramètres et une variété d'approches expérimentales avant de finalement réussir à faire pousser des diamants en utilisant un système de vide à paroi froide « construit maison ».
Français Ruoff note : « Nous avions mené nos études paramétriques dans une grande chambre (nommée RSR-A avec un volume intérieur de 100 litres) et notre recherche des paramètres qui permettraient la croissance du diamant a été ralentie en raison du temps nécessaire pour pomper l'air (environ 3 minutes), purger avec du gaz inerte (90 minutes), suivi d'un nouveau pompage jusqu'au niveau du vide (3 minutes) afin que la chambre puisse ensuite être remplie d'une pression d'une atmosphère d'un mélange hydrogène/méthane assez pur (à nouveau 90 minutes) ; cela fait plus de 3 heures avant que l'expérience puisse commencer ! J'ai demandé au Dr Won Kyung SEONG de concevoir et de construire une chambre beaucoup plus petite pour réduire considérablement le temps nécessaire pour démarrer (et terminer !) l'expérience avec le métal liquide exposé au mélange de méthane et d'hydrogène. » Seong ajoute : « Notre nouveau système construit maison (nommé RSR-S, avec un volume intérieur de seulement 9 litres) peut être pompé, purgé, pompé et rempli d'un mélange méthane/hydrogène, en un temps total de 15 minutes. Les études paramétriques ont été grandement accélérées, et cela nous a permis de découvrir les paramètres pour lesquels le diamant pousse dans le métal liquide !

Croissance du diamant dans un alliage métallique liquide sous une pression de 1 atmosphère. (a) Une photo montrant le diamant tel que cultivé sur la surface du métal liquide solidifié. (b) Une image optique du film continu de diamant tel que cultivé sur la surface du métal liquide solidifié. (c) Une image optique du film de diamant tel que transféré sur une grille TEM en Cu revêtue d'un film de carbone amorphe troué Quantifoil. (d) Une image topographique par microscopie à force atomique du film de diamant tel que transféré sur la grille TEM en Cu. (e) Une image TEM en coupe transversale d'une particule de diamant unique telle que cultivée sur la surface du métal liquide solidifié. (f) Une image TEM à résolution atomique du diamant tel que cultivé. (g) Une image de microscopie électronique à balayage montrant un diamant cultivé (partiellement) immergé dans le métal liquide solidifié. (h) Schéma montrant la diffusion du carbone qui conduit à la croissance du diamant à la surface inférieure du métal liquide. Crédit : Institute for Basic Science
L'équipe a découvert que le diamant se développe dans la sous-surface d'un alliage métallique liquide composé d'un mélange 77,75/11,00/11,00/0,25 (pourcentages atomiques) de gallium/nickel/fer/silicium lorsqu'il est exposé au méthane et à l'hydrogène sous une pression de 1 atm à ~1025 °C.
Yan GONG, étudiant diplômé de l'UNIST et premier auteur, explique : « Un jour, alors que j'effectuais l'expérience avec le système RSR-S, puis que je refroidissais le creuset en graphite pour solidifier le métal liquide et que je retirais le morceau de métal liquide solidifié, j'ai remarqué un « motif arc-en-ciel » étalé sur quelques millimètres sur la surface inférieure de ce morceau. Nous avons découvert que les couleurs de l'arc-en-ciel étaient dues aux diamants ! Cela nous a permis d'identifier les paramètres qui favorisaient la croissance reproductible du diamant. »
La formation initiale se produit sans avoir recours à des particules de diamant ou autres particules de semence couramment utilisées dans les méthodes de synthèse HPHT et de dépôt chimique en phase vapeur conventionnelles. Une fois formées, les particules de diamant fusionnent pour former un film, qui peut être facilement détaché et transféré sur d'autres substrats, pour des études ultérieures et des applications potentielles.
Les mesures de diffraction des rayons X bidimensionnelles au synchrotron ont confirmé que le film de diamant synthétisé présente une très grande pureté de la phase diamantée. Un autre aspect intrigant est la présence de centres de couleur à lacunes de silicium dans la structure du diamant, une ligne intense à zéro phonon à 738,5 nm dans le spectre de photoluminescence excité à l'aide d'un laser à 532 nm a été trouvée.
Le co-auteur Dr. Meihui WANG note : « Ce diamant synthétisé avec des centres de couleur en silicium vacant peut trouver des applications dans la détection magnétique et l'informatique quantique.”
Mécanismes et perspectives théoriques
L’équipe de recherche a étudié en profondeur les mécanismes possibles de la nucléation et de la croissance des diamants dans ces nouvelles conditions. L’imagerie par microscope électronique à transmission (MET) à haute résolution sur des coupes transversales des échantillons a montré une région amorphe sous-jacente d’environ 30 à 40 nm d’épaisseur dans le métal liquide solidifié qui était directement en contact avec les diamants. Le co-auteur Dr Myeonggi CHOE note : « Environ 27 % des atomes présents à la surface supérieure de cette région amorphe étaient des atomes de carbone, la concentration en carbone diminuant avec la profondeur. »
Ruoff explique : « La présence d’une concentration aussi élevée de carbone « dissous » dans un alliage riche en gallium pourrait être inattendue, car le carbone ne serait pas soluble dans le gallium. Cela pourrait expliquer pourquoi cette région est amorphe, alors que toutes les autres régions du métal liquide solidifié sont cristallines. Cette région souterraine est l’endroit où nos diamants se nucléent et se développent, c’est pourquoi nous nous sommes concentrés sur elle. »
Les chercheurs ont exposé le métal liquide Ga-Fe-Ni-Si au méthane/hydrogène pendant de courtes périodes pour essayer de comprendre le stade précoce de croissance, bien avant la formation d'un film continu de diamant. Ils ont ensuite analysé les concentrations de carbone dans les régions souterraines à l'aide d'un profilage en profondeur par spectrométrie de masse à ions secondaires à temps de vol. Après 10 minutes d'analyse, aucune particule de diamant n'était visible, mais il y avait environ 65 % d'atomes de carbone présents dans la région où le diamant se développe généralement. Des particules de diamant ont commencé à être trouvées après 15 minutes d'analyse, et il y avait une concentration en carbone souterraine plus faible. atome concentration d'environ 27 at%.

Diamants de diverses morphologies cultivés dans différentes conditions de croissance. (a) Croissance en utilisant un alliage métallique liquide de Ga/Ni/Fe/Si (77,75/11,00/11,00/0,25 at%) sous méthane/hydrogène (rapport molaire 1/20). (b) Croissance en utilisant un alliage métallique liquide de Ga/Ni/Fe/Si (77,50/11,00/11,00/0,50 at%) sous méthane/hydrogène (rapport molaire 1/20). (c) Croissance en utilisant un alliage métallique liquide de Ga/In/Ni/Fe/Si (38,88/38,87/7,33/14,67/0,25 at%) sous méthane/hydrogène (rapport molaire 1/20). (d) Croissance en utilisant un alliage métallique liquide de Ga/Ni/Fe/Si (77,75/11,00/11,00/0,25 at%) sous méthane/hydrogène (rapport molaire 1/5). Crédit : Institute for Basic Science
Ruoff explique : « La concentration d’atomes de carbone sous la surface est si élevée vers 10 minutes que cette exposition est proche de la sursaturation ou à un niveau de sursaturation, ce qui conduit à la nucléation des diamants soit vers 10 minutes, soit vers 10 ou 15 minutes. La croissance des particules de diamant devrait se produire très rapidement après la nucléation, vers 10 ou 15 minutes environ. »
La température à 27 endroits différents du métal liquide a été mesurée à l'aide d'un accessoire de la chambre de croissance doté d'un ensemble de neuf thermocouples conçu et construit par Seong. La région centrale du métal liquide s'est avérée être à une température plus basse que les coins et les côtés de la chambre. On pense que ce gradient de température est à l'origine de la diffusion du carbone vers la région centrale, facilitant ainsi la croissance du diamant.
L'équipe a également découvert que le silicium joue un rôle essentiel dans cette nouvelle croissance du diamant. La taille des diamants cultivés diminue et leur densité augmente à mesure que la concentration de silicium dans l'alliage augmente par rapport à la valeur optimale. Les diamants ne pourraient pas du tout croître sans l'ajout de silicium, ce qui suggère que le silicium pourrait être impliqué dans la nucléation initiale du diamant.
Ceci a été confirmé par les différents calculs théoriques effectués pour découvrir les facteurs qui pourraient être responsables de la croissance des diamants dans ce nouvel environnement de métal liquide. Les chercheurs ont découvert que le silicium favorise la formation et la stabilisation de certains amas de carbone en formant principalement des sp3 Des liaisons comme le carbone. On pense que de petits amas de carbone contenant des atomes de silicium pourraient servir de « pré-noyaux », qui peuvent ensuite croître davantage pour former un diamant. On prévoit que la taille probable d'un noyau initial se situe autour de 20 à 50 atomes de carbone.
Ruoff déclare : « Notre découverte de la nucléation et de la croissance du diamant dans ce métal liquide est fascinante et offre de nombreuses opportunités passionnantes pour la science plus fondamentale. Nous explorons maintenant quand « La nucléation, et donc la croissance rapide du diamant, se produisent. Les expériences de « chute de température », où nous obtenons d'abord une sursaturation du carbone et d'autres éléments nécessaires, suivie d'une baisse rapide de la température pour déclencher la nucléation, sont des études qui nous semblent prometteuses. »
L’équipe a découvert que leur méthode de croissance offrait une flexibilité significative dans la composition des métaux liquides. Le chercheur, le Dr Da LUO, a déclaré : « Notre croissance optimisée a été obtenue en utilisant l’alliage liquide gallium/nickel/fer/silicium. Cependant, nous avons également découvert qu’il était possible de produire du diamant de haute qualité en remplaçant le nickel par du cobalt ou en remplaçant le gallium par un mélange gallium-indium. »
Ruoff conclut : « Le diamant peut être cultivé dans une grande variété d’alliages métalliques liquides à point de fusion relativement bas, contenant par exemple un ou plusieurs éléments parmi l’indium, l’étain, le plomb, le bismuth, le gallium et potentiellement l’antimoine et le tellure, et incluant dans l’alliage fondu d’autres éléments tels que le manganèse, le fer, le nickel, le cobalt, etc., comme catalyseurs, et d’autres comme dopants qui produisent des centres de couleur. Et il existe une large gamme de précurseurs de carbone disponibles en plus du méthane (divers gaz, mais aussi des carbones solides). De nouvelles conceptions et méthodes pour introduire des atomes de carbone et/ou de petits amas de carbone dans des métaux liquides pour la croissance du diamant seront certainement importantes, et la créativité et l’ingéniosité technique de la communauté scientifique mondiale me semblent susceptibles, sur la base de notre découverte, de conduire rapidement à d’autres approches et configurations expérimentales connexes. Il existe de nombreuses pistes intéressantes à explorer ! »