CNRS Innovation

Partenariats, création d'entreprises, brevets, licences, événement... Retrouvez tous les mois les dernières actualités de la valorisation et de l'innovation au CNRS.

Brevets et licences

Vers la synthèse de diamants sans défauts

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 du CNRS ont mis au point une stratégie 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, intéresse toujours davantage l’industrie. Ses formidables propriétés en font un matériau de choix pour de nombreuses applications. Cet assemblage d’atomes de carbone possède en effet une dureté et une conductivité thermique exceptionnelles, dispose d’une grande stabilité chimique et est transparent optiquement jusque dans le domaine de l’ultraviolet.

Formé naturellement au sein du manteau terrestre dans des conditions de pression et de température 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 gazeux de méthane et de dihydrogène. Suite à l’activation 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 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 standard1 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 breveté2 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 magnétiques ultra-sensibles.

 

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).

 

Contacts :

Alexandre Tallaire / Laboratoire des sciences des procédés et des matériaux / alexandre.tallaire@lspm.cnrs.fr

Jocelyn Achard / Laboratoire des sciences des procédés et des matériaux / jocelyn.achard@lspm.cnrs.fr