1 Introduction
Le diamant possède d'excellentes propriétés mécaniques, optiques, thermiques et électriques, ce qui en fait un matériau multifonctionnel typique avec de larges perspectives d'application dans de nombreux domaines de haute technologie tels que l'aérospatiale, l'énergie, les capteurs intelligents et l'usinage de précision [1]. Avec la demande croissante de diamants, les réserves naturelles de diamants sont limitées et extrêmement coûteuses, ce qui ne permet pas de répondre aux besoins sociaux croissants. C’est pourquoi les chercheurs explorent continuellement de nouvelles méthodes de synthèse artificielle du diamant.
Les principales méthodes de préparation du diamant synthétique sont la méthode à haute-pression haute-température (HPHT) et le dépôt chimique en phase vapeur (CVD). Les particules de diamant synthétisées par la méthode HPHT sont pour la plupart de petite taille et contiennent souvent une grande quantité d'impuretés catalytiques. Par conséquent, leur champ d'application est limité, principalement aux abrasifs et aux outils (par exemple, diamant polycristallin, PCD) [2]. Ces dernières années, la technologie du dépôt chimique en phase vapeur (CVD) est devenue un domaine de recherche très prometteur. Les cristaux de diamant préparés par CVD ont des tailles de grains et des formes cristallines les plus proches de celles du diamant naturel et présentent d'excellentes propriétés [3].
2 Préparation des films diamantés par CVD
La méthode CVD est une technologie clé pour préparer des films minces par voie chimique. Il a été largement utilisé dans la préparation de divers matériaux en couches minces et constitue également une méthode importante pour produire des films de diamant. Ces dernières années, la recherche sur la synthèse de films de diamant par CVD a progressé rapidement et des capacités de production et d'application à grande échelle ont désormais été atteintes.
2.1 Mécanisme de croissance [4]
La synthèse CVD du diamant implique généralement la décomposition de précurseurs contenant du carbone-en utilisant de l'énergie dans une atmosphère réductrice pour générer de l'hydrogène atomique, ce qui facilite la croissance du diamant. Le processus de croissance comprend spécifiquement les étapes de base suivantes : (1) Le précurseur (illustré par CH₄) est introduit dans le réacteur CVD ; (2) Le précurseur gazeux est décomposé par énergie (plasma ou énergie thermique) en radicaux libres (CₓHᵧ, etc.) ; (3) Les radicaux libres entrent en collision les uns avec les autres jusqu'à ce qu'ils atteignent la surface du substrat ; (4) Les radicaux libres s'adsorbent sur la surface du substrat ; (5) Les radicaux libres adsorbés se décomposent pour former des espèces de charbon actif et se diffusent à la surface ; (6) Les espèces actives forment le réseau de diamant ; (7) Les espèces non-actives (telles que l'hydrogène) se désorbent de la surface, formant des molécules d'hydrogène ou d'autres sous-produits ; (8) Les sous-produits-se diffusent depuis la surface à travers la couche limite et sont finalement éliminés par le flux de gaz en vrac.
2.2 Techniques de préparation
Depuis l'émergence de la préparation du diamant CVD dans les années 1980, les chercheurs ont mené des études approfondies et soutenues, conduisant au développement de diverses méthodes CVD [5]. Actuellement, les techniques matures de préparation de films de diamant comprennent le CVD à filament chaud (HFCVD), le CVD à plasma micro-ondes (MPCVD) et le CVD à jet de plasma à arc en courant continu (DCPJCVD).
2.2.1 CVD à filament chaud (HFCVD)
Dans le procédé HFCVD, des gaz d'hydrocarbures tels que le méthane (CH₄) et l'acétylène, ainsi que l'hydrogène (H₂), sont introduits dans la chambre de réaction. La température du filament dans la chambre est supérieure à 2 000 degrés et le gaz mélangé est décomposé à haute température pour produire des radicaux de carbone hybridés sp³ nécessaires à la synthèse du diamant, qui forment ensuite un film de diamant sur la surface du substrat [6].
La méthode HFCVD présente les avantages d’un équipement simple, d’un taux de dépôt de film élevé, d’une opération facile, d’un faible coût et d’une technologie mature. Il a été largement utilisé dans la production industrielle et constitue également l'une des principales méthodes de préparation de revêtements de diamant microcristallin, de revêtements de diamant nanocristallin et de revêtements de carbone de type diamant - [2]. Ses inconvénients incluent : le filament chaud n'excite pas le gaz à un degré élevé et le filament lui-même peut contaminer le film de diamant ; le filament est sujet à des déformations lors du chauffage, ce qui dégrade l'uniformité du film déposé ; et le filament a une courte durée de vie, ce qui le rend impropre au dépôt à long terme d'échantillons de films épais [7].
Actuellement, la recherche sur la préparation de films diamantés à l’aide du HFCVD est relativement mature, tant au niveau national qu’international. Cependant, des recherches plus approfondies sont encore nécessaires sur la manière d'ajuster les paramètres du processus afin d'améliorer la qualité du film de diamant [2]. Les paramètres clés du processus comprennent le débit et le rapport du gaz, la température du filament, le type et la température du substrat, ainsi que la pression de la chambre de réaction.
2.2.2 CVD à jet plasma à arc à courant continu (DCPJCVD)
La méthode DCPJCVD est une technique unique de croissance du diamant par CVD développée par des chercheurs chinois [4]. Son principe est d'utiliser une décharge en arc continu de haute -puissance pour exciter un gaz de réaction principalement composé de CH₄-H₂-Ar dans un plasma, qui est ensuite éjecté à grande vitesse sur la surface du substrat, déposant un film de diamant [7].
Comparé à d'autres techniques de dépôt CVD, le DCPJCVD présente les avantages suivants : taux de dépôt le plus élevé, faible tension de décharge, courant de décharge élevé, degré d'ionisation élevé, densité de plasma élevée et grande zone de dépôt. Sa vitesse de dépôt maximale peut atteindre 1 000 μm/h, ce qui le rend adapté à la production de films de diamant de grande surface-. Il s’agit actuellement de la méthode la plus rapide pour synthétiser des films de diamant, mais elle nécessite un investissement matériel important, un traitement complexe et l’uniformité du film doit encore être améliorée [4].
En Chine, l’Université des sciences et technologies de Pékin et l’Académie des sciences du Hebei ont développé et perfectionné conjointement cette technologie [8]. À l'heure actuelle, les films de diamant préparés par la technologie de jet de plasma à arc continu en Chine sont à un niveau avancé en termes de qualité et de superficie par rapport à ceux produits par la même méthode à l'étranger, et les produits de films de diamant associés sont déjà entrés en vrac sur le marché international en tant que matériaux d'outils ultra-durs.
2.2.3 CVD au plasma micro-ondes (MPCVD)
Dans la méthode MPCVD pour la préparation de films de diamant, le champ électromagnétique à haute fréquence-généré par un magnétron micro-ondes fait osciller vigoureusement les électrons dans un espace confiné. Ces électrons entrent en collision intensément avec les molécules de gaz et les atomes de l'espace, ionisant le gaz et générant des radicaux actifs tels que -CH₃ et H. Ces espèces actives subissent des réactions physicochimiques, se déplacent vers le substrat, puis s'adsorbent, diffusent, nucléent et se développent à la surface du substrat, produisant finalement un film de diamant [9].
Une caractéristique notable du MPCVD est que le plasma micro-ondes peut obtenir une décharge stable sans électrodes via le champ électrique à haute fréquence-, réduisant ainsi la contamination des échantillons. De plus, les micro-ondes provoquent une vigoureuse oscillation du gaz, activant efficacement le gaz et générant un plasma à haute -densité, ce qui permet la croissance de films de diamant de haute-qualité [10]. La difficulté réside dans la formation d’une zone de dépôt large et uniforme, qui est affectée par de nombreux facteurs, notamment la répartition du champ électrique dans la cavité, la variation de température du substrat, la puissance des micro-ondes et la répartition des radicaux actifs. De plus, la vitesse de dépôt du film de diamant est généralement inférieure à celle du CVD à jet de plasma à arc continu [4].
Pour compenser le faible taux de dépôt du MPCVD, les chercheurs étrangers ont continuellement augmenté la puissance d'entrée de l'équipement afin d'améliorer le taux de dépôt. Au fil des décennies de développement, la puissance est passée de quelques centaines de watts à près de 100 kW, améliorant considérablement la zone de dépôt, la vitesse de dépôt et la qualité des films de diamant. La recherche nationale sur la préparation du diamant MPCVD a commencé relativement tard, mais grâce à une recherche et un développement continus, la Chine a largement suivi le rythme des progrès internationaux, même si des lacunes subsistent en termes de qualité et d'applications commerciales. Au cours des 20 dernières années, les équipes de recherche nationales se sont concentrées sur la conception de résonateurs pour poursuivre le développement commercial du diamant à grande échelle [11].
3 applications des films diamantés
3.1 Applications optiques
Les films de diamant possèdent d'excellentes propriétés optiques, notamment une transmission élevée, un faible indice de réfraction et une faible diffusion. Ils sont souvent utilisés pour fabriquer des fenêtres optiques, des lentilles optiques et d'autres composants, avec des perspectives d'application exceptionnelles dans des domaines de haute technologie tels que l'armée, les communications et la technologie satellitaire. Les films de diamant ont d'excellentes propriétés physicochimiques, notamment une bonne transmission de l'ultraviolet à l'infrarouge lointain et aux micro-ondes. Lorsqu'ils sont utilisés pour les fenêtres optiques, ils peuvent efficacement éviter les effets de lentille thermique, l'érosion par la pluie, l'érosion par le sable et la distorsion optique. De plus, les films de diamant sont souvent utilisés dans les fenêtres et masques à rayons X-, les cibles de transmission de rayons X-, les lentilles optiques et d'autres dispositifs [12].
3.2 Applications thermiques
Dans le passé, la haute densité, la puissance élevée et le faible volume sont devenus les tendances actuelles dans le développement de dispositifs électroniques dans le domaine de la microélectronique. Cependant, avec cette tendance, la chaleur générée par les composants va augmenter considérablement. Les films de diamant CVD ont des propriétés comparables à celles du diamant naturel, notamment un coefficient de dilatation thermique extrêmement faible, une conductivité thermique ultra-élevée et une isolation électrique. Ce sont des matériaux de dissipateur thermique et des matériaux d'emballage idéaux, largement utilisés dans les appareils laser -haute puissance, les circuits intégrés-à grande échelle, les transistors de puissance RF, les fenêtres optiques haute-puissance et d'autres appareils.
3.3 Applications acoustiques
Avec l’adoption généralisée des équipements audio, les exigences des consommateurs en matière de qualité des enceintes n’ont cessé d’augmenter. Comparés aux matériaux de diaphragme traditionnels tels que la fibre de carbone, la céramique et le béryllium, les films de diamant ont une densité plus faible et un module d'élasticité plus élevé. Dans le même temps, les joints de grains des films de diamant polycristallin peuvent fournir une friction interne idéale, leur conférant des propriétés complètes bien supérieures à celles des matériaux traditionnels, faisant du diamant un excellent choix pour les diaphragmes d'enceintes. De plus, l’utilisation de médias à haute vitesse acoustique constitue un moyen clé pour augmenter la fréquence de fonctionnement des appareils. Le diamant est actuellement le matériau ayant la vitesse de propagation acoustique la plus élevée connue, ce qui peut améliorer considérablement la fréquence de fonctionnement des dispositifs à ondes acoustiques de surface (SAW), permettant l'interconversion des signaux RF et des vibrations mécaniques, et offrant de larges perspectives d'application dans les communications par satellite, mobiles et autres domaines [10].
3.4 Applications électriques
En raison de la large bande interdite du diamant, de sa mobilité élevée des électrons et des trous, de son champ électrique de claquage élevé, de sa faible constante diélectrique, de sa résistivité élevée et de sa conductivité thermique élevée, il convient parfaitement aux dispositifs semi-conducteurs hautement intégrés fonctionnant dans des conditions de température élevée, de polarisation élevée, de puissance élevée et de rayonnement élevé. Par conséquent, le diamant devrait remplacer le silicium en tant que matériau idéal pour les appareils électroniques qui doivent fonctionner de manière fiable dans des conditions difficiles telles que la résistance aux températures élevées et aux radiations.
3.5 Applications biomédicales
Les films de diamant combinent une bonne biocompatibilité, d'excellentes propriétés mécaniques et une stabilité chimique, ce qui en fait des biomatériaux de nouvelle génération-très prometteurs. Leurs propriétés mécaniques supérieures et leur stabilité chimique peuvent réduire considérablement l'usure et la corrosion électrochimique des implants diamantés-. La modifiabilité de surface, la biocompatibilité et l'excellente conductivité électrique après dopage des films de diamant CVD en font également d'excellents supports pour les biocapteurs. Comparés à d’autres supports, les biocapteurs basés sur des substrats en film de diamant offrent une stabilité, une fiabilité et une sensibilité supérieures.