Le diamant est l’un des matériaux les plus prisés dans les technologies de pointe en raison de sa dureté inégalée, de sa capacité à conduire la chaleur et d’accueillir des défauts favorables aux quanta. Les mêmes qualités qui rendent le diamant utile le rendent également difficile à traiter. Les ingénieurs et les chercheurs qui utilisent le diamant pour les capteurs quantiques, l’électronique de puissance ou les technologies de gestion thermique ont besoin de couches ultrafines et ultra lisses. Or, les techniques traditionnelles, telles que la découpe au laser et le polissage, endommagent souvent le matériau ou créent des défauts de surface.
L’implantation ionique et le lift-off permettent de séparer une fine couche de diamant d’un cristal plus grand en bombardant un substrat de diamant avec des ions de carbone à haute énergie, qui pénètrent à une profondeur spécifique sous la surface. Le processus crée une couche enfouie dans le substrat de diamant où le réseau cristallin a été perturbé. Cette couche endommagée agit comme une couture : grâce à un recuit à haute température, elle se transforme en graphite lisse, ce qui permet de décoller la couche de diamant située au-dessus d’elle en une seule plaquette uniforme et ultrafine.
Une équipe de chercheurs de l’université de Rice a mis au point une méthode plus simple et plus efficace pour obtenir ce décollement : au lieu d’un recuit à haute température, ils ont découvert qu’il suffisait de faire croître une couche supplémentaire de diamant sur le substrat après l’implantation d’ions pour que la couche endommagée devienne du graphite.
Selon une étude publiée dans Advanced Functional Materials, cette technique raffinée permet de contourner le recuit à haute température et génère des films de diamant d’une plus grande pureté que les substrats d’origine. En outre, le substrat subit des dommages minimes au cours du processus et peut être réutilisé, ce qui rend l’ensemble du processus efficace en termes de ressources et évolutif.
« Nous avons découvert que la surcroissance du diamant convertit la couche endommagée enfouie en une fine feuille de graphite, ce qui élimine la nécessité d’un recuit coûteux en énergie », indique Xiang Zhang, professeur adjoint de recherche en science des matériaux et en nano-ingénierie à Rice et auteur correspondant de l’étude. « Le film de diamant obtenu est plus pur et de meilleure qualité que le diamant d’origine, correspondant à la qualité électronique. »
Selon M. Zhang, ces films de diamant ultrapurs « pourraient révolutionner l’électronique, en permettant la fabrication d’appareils plus rapides et plus efficaces, ou servir de base à des ordinateurs quantiques qui résoudraient des problèmes hors de portée aujourd’hui ».
Pour faire croître une nouvelle couche de diamant sur le substrat, les chercheurs ont utilisé le dépôt chimique en phase vapeur par plasma à micro-ondes, une méthode qui dépose le nouveau matériau de diamant sur la surface en l’alignant parfaitement avec le cristal sous-jacent. Les chercheurs ont émis l’hypothèse que les conditions du processus de croissance lui-même étaient suffisantes pour entraîner la conversion de la couche endommagée enfouie en graphite, sans qu’il soit nécessaire de la chauffer davantage.
Pour confirmer cette théorie, l’équipe a examiné l’évolution des interfaces entre le substrat de diamant, la couche endommagée enfouie et le film de surcroissance pendant la surcroissance du diamant en utilisant une combinaison de microscopie électronique à transmission, de spectroscopie de perte d’énergie électronique, de spectroscopie Raman et de cartographie par photoluminescence.
« En corrélant l’imagerie au niveau atomique avec les signatures spectroscopiques, nous démontrons que la surcroissance du diamant est suffisante pour former une couche de libération graphitique propre, préserver la douceur du substrat et produire des films de diamant de qualité électronique, ce qui est crucial pour les technologies quantiques », a conclu M. Zhang.
En simplifiant la production et en renforçant la durabilité, la nouvelle méthode pourrait permettre le développement de technologies transformatrices basées sur le diamant. Cette découverte représente l’une des principales réalisations d’une collaboration de longue date entre l’université Rice et le laboratoire de recherche de l’armée américaine.
Article : « Ion-Implantation, Epilayer Growth, and Lift-Off of High-Quality Diamond Films » – DOI : 10.1002/adfm.202423174
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