Des lignes d’atomes…à la fabrication du diamant

Paris, le 7 janvier 1999

Fabriquer des monocristaux de diamant à la chaîne pour orner le cou de ces dames ou alimenter des microprocesseurs ultra-performants, un doux rêve ? Pas si sûr. Des chercheurs du CNRS et du CEA viennent de construire de nouvelles structures de carbone dont le réseau est proche de celui du diamant. L’étude est parue le 28 décembre dans la revue américaine Physical Review Letters (1).

Dans un premier temps, les physiciens ont réussi à fabriquer des lignes isolées de ces nouvelles structures. Puis une couche complète, obtenant ainsi une surface qui a les propriétés idéales pour faire croître des monocristaux de diamant. Cette découverte, qui a fait l’objet d’un dépôt de brevet commun CEA-CNRS (2), pourrait permettre à l’industrie de fabriquer des cristaux de grandes tailles (quelques centimètres), tant attendus en haute technologie. Si le diamant est surtout connu du grand public pour ses applications en joaillerie, ses propriétés électroniques et thermodynamiques exceptionnelles font rêver les experts qui pourraient concevoir des microprocesseurs ou autres dispositifs 1 000 à 10 000 fois plus performants que ceux conçus à partir du silicium.
La méthode de fabrication des lignes d’atomes de carbone repose sur les propriétés du carbure de silicium (SiC). Ce matériau avancé, étudié par les équipes du CNRS et du CEA, présente un très grand intérêt technologique en électronique, comme matériau de structure et comme matériau biocompatible. Les équipes du CNRS et du CEA ont testé préalablement la méthode en fabriquant des lignes d’atomes de silicium dont les propriétés remarquables pourraient permettre de réaliser, par exemple, des dispositifs électroniques ayant la dimension de quelques atomes seulement. Pour arranger les atomes en forme de lignes très étroites, ils ont exploité les énormes forces de contrainte à l’intérieur de ce matériau dues à la différence de taille entre les atomes de silicium et de carbone (22%). En contrôlant finement la température et en observant la formation des lignes atomiques par microscopie à effet tunnel (STM), les scientifiques ont pu jouer sur les contraintes, soit en compression, soit en extension, et former respectivement des lignes atomiques de silicium ou de carbone.
Les chercheurs s’attendaient ainsi à fabriquer des lignes de carbone ayant la structure de l’acétylène (sp). Surprise. La formation de ces lignes s’est faite par transformation en carbone sp3 (structure du diamant), grâce à une rotation de 90° des liaisons entre les atomes, encore mal comprise aujourd’hui.
L’intérêt de ces lignes de carbone n’est pas limité à la fabrication potentielle du diamant. Cette découverte ouvre aussi la voie à l’étude d’une grande variété de nano-structures de carbone à une dimension (1D) et à deux dimensions (2D). Grâce aux propriétés physiques et chimiques exceptionnelles mises en évidence récemment dans certaines structures de carbone à trois dimensions (3D) (fullerènes, nanotubes, etc.), on peut attendre de ces nouvelles structures 1D et 2D, des caractéristiques thermodynamiques et électroniques inédites. Les chercheurs du CNRS et du CEA ont déjà montré que les lignes d’atomes de carbone ont une stabilité thermique sans précédent (jusqu’à 1 200° C, contre moins de 200°C pour la plupart des autres structures).

(1) "Carbonic atomic chain formation on the b-SiC(100) surface by controlled sp Æ sp3 transformation ", Vincent Derycke (CEA – Université Paris-Sud), Patrick Soukiassian (CEA – Université Paris-Sud), Andrew Mayne (CNRS), Gérald Dujardin (CNRS) et Jacques Gautier (Leti – CEA - Technologies avancées).
(2) "Couche monoatomique de grande taille, en carbone de type diamant, et procédé de fabrication de cette couche", Vincent Derycke (CEA – Université Paris-Sud), Gérald Dujardin (CNRS), Andrew Mayne (CNRS), Patrick Soukiassian (CEA – Université Paris-Sud). Brevet CEA-CNRS déposé le 2 décembre 1998.

Contacts
CNRS - Laboratoire de photophysique moléculaire. Université Paris-Sud – Orsay (Essonne)
Gérald Dujardin
Tél : 01 69 15 77 13
e-mail : gerald.dujardin@ppm.u-psud.fr

CEA - Université Paris- Sud.
Patrick Soukiassian
Tél : 01 69 08 31 62
e-mail : psoukiassian@cea.fr

Presse CNRS :
Séverine Duparcq
Tél : 01 44 96 46 06
e- mail : severine.duparcq@cnrs-dir.fr

Page précédente