Les chercheurs développent de nouvelles idées sur les meilleures façons de fabriquer des diamants cultivés en laboratoire tout en minimisant les autres formes de carbone, telles que la suie. Ces diamants ne sont toutefois pas destinés aux bagues et aux colliers. Ils sont nécessaires pour les ordinateurs, l’optique et les capteurs de l’avenir.
Une nouvelle étude, menée par des chercheurs du laboratoire de physique des plasmas de Princeton (PPPL) du ministère américain de l’énergie et de l’université de Princeton, a étudié les moyens de faire croître le diamant de manière fiable à des températures inférieures à celles utilisées actuellement. Le diamant possède des propriétés qui le rendent intéressant pour l’industrie des semi-conducteurs. Grâce à sa structure cristalline particulière, le diamant peut résister à des tensions électriques élevées. Il dissipe également très bien la chaleur.
« Ce travail s’inscrit dans le cadre des efforts plus larges du PPPL pour faire progresser la microélectronique en menant des recherches cruciales sur les matériaux et les processus qui pourraient s’avérer essentiels pour assurer aux États-Unis un avantage concurrentiel continu dans ce domaine de haute technologie », a déclaré Igor Kaganovich, chercheur principal en physique au PPPL et coauteur de l’article.
La culture du diamant en laboratoire implique généralement une chaleur élevée, supérieure à celle que peuvent supporter les puces d’ordinateur ; c’est pourquoi les scientifiques cherchent depuis longtemps des moyens de réduire la chaleur sans sacrifier la qualité du diamant.
« Si nous voulons intégrer le diamant dans la fabrication à base de silicium, nous devons trouver une méthode de croissance du diamant à plus basse température », a déclaré Yuri Barsukov, associé de recherche en informatique au PPPL et auteur principal de l’étude. « Cela pourrait ouvrir une porte à l’industrie de la microélectronique en silicium. »
Trouver la température critique
Des expériences antérieures sur un procédé de fabrication du diamant, connu sous le nom de dépôt chimique en phase vapeur assisté par plasma, ont montré que l’acétylène peut contribuer à la croissance du diamant. Cependant, l’acétylène était également connu pour contribuer à la croissance de la suie, qui peut se développer sur le diamant et entraver les performances des optiques, des capteurs et des puces. Les facteurs qui déterminent si l’acétylène se transforme en diamant ou en suie n’étaient pas clairs.
« Nous avons maintenant une réponse », a déclaré M. Barsukov. « Comme pour la transformation de l’eau en glace, il existe une température critique pour la transition d’une phase à l’autre. Au-dessus de cette température critique, l’acétylène contribue principalement à la croissance du diamant. En dessous de cette température critique, il contribue principalement à la croissance de la suie ».
Selon l’étude, publiée dans la revue Diamond & Related Materials, la température critique dépend de plusieurs facteurs, notamment de la concentration d’acétylène et d’hydrogène atomique près de la surface du diamant.
« Les atomes d’hydrogène n’alimentent pas directement la croissance du diamant, mais la dissociation de l’hydrogène, ou décomposition, est cruciale pour transformer le méthane en acétylène et transporter l’hydrogène atomique vers la surface de croissance du diamant. Ces deux éléments sont importants pour la croissance du diamant », a ajouté Alexander Khrabry, chercheur à l’université de Princeton, l’un des auteurs de l’article. Plus il y a d’hydrogène près de la surface, plus le diamant peut se former, même à des températures plus basses.
Protéger le diamant quantique
Le perfectionnement du processus de croissance du diamant de qualité à des températures plus basses n’est qu’une des pièces du puzzle qui permettra de fabriquer de manière fiable du diamant pour l’électronique. Certaines applications nécessitent une forme plus complexe de diamant dans laquelle certains atomes de carbone sont retirés et un atome voisin est remplacé par de l’azote. Cela crée ce que les scientifiques appellent des centres de vacance de l’azote ou centres NV.
Une autre étude relative aux centres NV a été publiée dans la revue Advanced Materials Interfaces par des chercheurs du PPPL, de l’université de Princeton et de l’Institut royal de technologie de Melbourne. Cette étude s’est penchée sur les moyens de protéger la surface de ce matériau spécial, connu sous le nom de diamant quantique, tout en conservant les centres NV intacts.
« Les électrons de ce matériau ne se comportent pas selon les lois de la physique classique comme le font les particules plus lourdes. Au contraire, comme tous les électrons, ils se comportent selon les lois de la physique quantique », explique Alastair Stacey, physicien principal et responsable des matériaux et dispositifs quantiques au PPPL, qui est l’un des coauteurs de l’étude. Les chercheurs espèrent pouvoir exploiter ces comportements quantiques en fabriquant des bits spéciaux appelés « qubits ». « L’avantage des qubits est qu’ils peuvent contenir beaucoup plus d’informations que les bits ordinaires », explique M. Stacey. « Cela signifie qu’ils peuvent également nous donner beaucoup plus d’informations sur leur environnement, ce qui les rend extrêmement précieux en tant que capteurs, par exemple. »
Ajouter une couche uniforme d’atomes d’hydrogène
La fixation de l’hydrogène à la surface du diamant a des implications à la fois pour la microélectronique et pour les capteurs quantiques. Les atomes d’hydrogène peuvent interagir avec les surfaces de diamant et les amener à conduire l’électricité ; en même temps, ils sont nécessaires comme point de départ avant d’attacher d’autres molécules plus complexes. Le défi consiste à créer une couche unique d’atomes d’hydrogène uniformément répartis sur la surface du diamant quantique sans modifier ce qui se trouve en dessous.
« Cela fait très longtemps que l’on essaie de contrôler les surfaces de diamant », a commenté Nathalie de Leon(Link is external), professeur agrégé d’ingénierie électrique et informatique à l’université de Princeton, membre associé du corps enseignant du PPPL et coauteur de l’article. « Il s’agit d’une question de science fondamentale intéressante, car le diamant est une sorte de solide étrange. Il s’agit d’un matériau qui est exactement le même partout et qui, à la surface, doit se lier d’une manière ou d’une autre à quelque chose d’autre. Mais le diamant est très inerte, ce qui signifie qu’il ne veut pas réagir avec les choses. Son réseau est très serré et il est donc difficile d’y introduire des éléments. C’est également le matériau le plus dur au monde, et il est donc très difficile de le polir et de le préparer de diverses manières ».
L’étude explore des techniques plus fiables et moins dommageables pour ajouter cette couche unique d’atomes d’hydrogène à la surface du diamant afin qu’il soit idéal pour certaines applications quantiques. Elle s’inscrit dans un domaine de recherche plus large du laboratoire sur la préparation des surfaces de diamant pour l’informatique et la détection quantiques. Le PPPL a ouvert son laboratoire de diamant quantique en mars 2024, ce qui fait du laboratoire un partenaire idéal pour ce type de recherche.
La façon dont les atomes se lient dans le diamant rend ce matériau bien adapté aux applications quantiques, notamment l’informatique quantique, les communications sécurisées et les mesures très précises de la température et des champs magnétiques.
« Nous devons contrôler avec précision la chimie à la surface du diamant à l’aide du plasma, mais les interactions plasma-surface ne sont pas très bien comprises », a précisé M. Barsukov, qui a également participé à la deuxième étude. « Les gens utilisent généralement une méthode d’essais et d’erreurs. Nous essayons donc de faire la lumière sur certains processus à la surface, afin de clarifier un peu plus le tableau ».
Généralement, cette couche d’hydrogène est ajoutée en exposant le diamant à un plasma d’hydrogène à haute température. Mais, à l’instar du silicium dans les puces informatiques standard, les centres NV ne peuvent pas supporter cet environnement.
Créer un livre de recettes pour le diamant quantique
L’équipe de recherche s’est efforcée de trouver de meilleures méthodes pour fabriquer du diamant quantique hydrogéné en conservant les centres NV intacts. « Nous rédigeons un livre de recettes et caractérisons différentes manières d’hydrogéner correctement les surfaces de diamant afin de comprendre comment mieux le faire pour un certain nombre d’applications », a indiqué Daniel McCloskey, premier auteur de l’article et chercheur à l’école de physique de l’université de Melbourne.
L’équipe de recherche internationale a étudié l’approche traditionnelle ainsi que les deux méthodes d’hydrogénation alternatives suivantes :
- Le recuit par gaz de formation, qui utilise un mélange de molécules d’hydrogène et d’azote gazeux (plutôt qu’un plasma composé uniquement d’hydrogène).
- La terminaison par plasma froid, qui utilise un plasma d’hydrogène mais évite de chauffer directement le diamant avec le plasma.
Les deux techniques alternatives ont permis de produire un diamant hydrogéné capable de conduire l’électricité, mais il existe des différences et des compromis importants. En particulier, l’équipe a constaté que la qualité de la couche d’hydrogène obtenue par recuit au gaz de formage dépendait fortement de la température utilisée et de la pureté du mélange gazeux. Bien qu’il ne doive pas y avoir d’oxygène pendant l’expérience, une certaine quantité peut s’infiltrer, et même cette quantité relativement faible fait une grande différence.
« Il faut éliminer l’oxygène du diamant », explique M. McCloskey, ce qui nécessite des températures de plus de 900 degrés Celsius. Selon M. McCloskey, la mise au point de moyens permettant de réduire et d’éliminer l’oxygène entrant dans la chambre de réaction est un autre domaine de recherche important qui doit être exploré, ajoutant qu’il a fallu aller au-delà des protocoles standard pour que cela fonctionne.
La méthode de terminaison par plasma froid a également permis de créer une couche d’hydrogène sur le diamant quantique sans endommager les centres NV. Cependant, la contrepartie est que la couche d’hydrogène créée par la terminaison par plasma froid était de moins bonne qualité que l’approche traditionnelle chauffée.
Évaluation des dommages causés aux centres NV
Pour étudier l’impact des méthodes d’hydrogénation sur les centres NV, l’équipe a utilisé une technique appelée spectroscopie de photoluminescence. « Il s’agit d’un moyen d’observer un échantillon de diamant rempli de centres NV en les excitant avec de la lumière verte et en les rendant fluorescents », a affirmé M. Stacey. Aucune des deux nouvelles méthodes d’hydrogénation n’a affecté la fluorescence, même lorsque les processus ont été répétés. En revanche, le traitement traditionnel par plasma chauffé a entraîné une perte irréversible de près de la moitié de la fluorescence des centres NV.
« Cela met en évidence le compromis entre la qualité de la surface et les propriétés des NV qu’il faudra équilibrer dans les applications futures. Par exemple, dans les projets de détection biomoléculaire, il est absolument crucial que les NV soient préservés à proximité des surfaces », a dit encore M. McCloskey.
D’autres recherches sont nécessaires pour perfectionner les nouvelles méthodes de production fiable de surfaces de diamant hydrogéné de haute qualité avec des centres NV idéaux. Le PPPL et ses collaborateurs peuvent également explorer de nombreuses autres pistes. Alors qu’un revêtement uniforme d’atomes d’hydrogène pourrait être l’objectif final pour certaines applications, pour d’autres, il pourrait s’agir simplement de la première étape d’une longue série pour créer une surface personnalisée impliquant d’autres éléments.
Légende illustration : Lorsqu’un laser vert brille sur un type particulier de diamant présentant des défauts à l’échelle atomique, il peut le rendre fluorescent en rouge. Ce processus est illustré sur cette photo d’un échantillon de diamant quantique frappé par la lumière d’un pointeur laser vert, un filtre de lumière rouge ayant été ajouté à la moitié de l’échantillon pour révéler la fluorescence rouge. (Crédit photo : Michael Livingston / Service de communication du PPPL)
La première étude, intitulée « Quantum Chemistry Model of Surface Reactions and Kinetic Model of Diamond Growth : Effects of CH3 Radicals and C2H2 Molecules at Low-temperatures CVD » a été soutenue par le DOE dans le cadre du programme de recherche “microelectronics co-design” du laboratoire national du DOE et a utilisé les ressources informatiques du cluster Adroit et du cluster Stellar de l’université de Princeton. Pour la deuxième étude, « Methods for Color Center Preserving Hydrogen-Termination of Diamond », les auteurs remercient le Conseil australien de la recherche (ARC) pour son soutien par le biais des subventions DP200103712, CE170100012 et FL130100119. Le soutien a également été apporté par l’Université de Melbourne pour la validation du concept et le Centre d’excellence de l’ARC en biotechnologie quantique par le biais du projet numéro CE230100021. La National Defense Science and Engineering Graduate Fellowship des États-Unis a également apporté un soutien supplémentaire. Les études de recuit in situ et de spectroscopie menées à Princeton ont été principalement soutenues par l’Office of Science et l’Office of Basic Energy Sciences du DOE sous le numéro de récompense DESC0018978, et le développement de l’instrumentation a été soutenu par le programme CAREER de la National Science Foundation sous le numéro de subvention DMR1752047. Ce document est basé sur des travaux soutenus par l’Office of Science du DOE, l’Office of Fusion Energy Sciences et l’Office of Basic Energy Sciences sous le numéro de bourse LAB 21-2491.
