Plaquette de diamant autoportante de 5- pouces ! La dureté atteint 208,3 GPa

Plaquette de diamant autoportante de 5- pouces ! La dureté atteint 208,3 GPa

Le diamant, en tant que matériau le plus dur de la nature, a des applications importantes dans l'usinage d'ultra-précision, les semi-conducteurs et l'aérospatiale. Les méthodes traditionnelles à haute-température et haute-pression pour la synthèse du diamant souffrent de limitations de taille, de la présence de liants et de difficultés à atteindre une dureté supérieure à celle des diamants naturels. Bien que les progrès récents dans la conception des nanostructures (tels que le nanojumelage) aient considérablement amélioré la dureté, la taille des échantillons n'est généralement que de l'ordre du millimètre et les conditions de synthèse sont extrêmes, ce qui rend difficile la production à grande échelle de diamants ultra durs de la taille d'un pouce. Bien que la technologie de dépôt chimique en phase vapeur (CVD) ait le potentiel de produire des diamants de grande taille, sa dureté a longtemps été difficile à dépasser 200 GPa. Par conséquent, développer une nouvelle méthode pour la préparation contrôlée de diamants -de grande taille et ultra-durs est devenu un besoin urgent dans ce domaine.

 

Une équipe de recherche dirigée par Li Chengming et Liu Jinlong de l'Université des sciences et technologies de Pékin et Lu Yang de l'Université de Hong Kong a publié un article de recherche intitulé « Plaquette de diamant ultra-dure à l'échelle d'un pouce-avec une dureté de 200 GPa via une croissance locale non-équilibre pulsée à haute-fréquence-" dans la revue Nature Communications.

 

Grâce à un système de dépôt chimique en phase vapeur par plasma micro-ondes développé par elle-même, l'équipe de recherche a introduit une stratégie de dopage à l'azote pulsé cyclique à haute fréquence pour obtenir un contrôle local de non-équilibre pendant le processus de croissance du diamant, préparant avec succès une plaquette de diamant ultra dur autoportante d'un diamètre de 5 pouces et d'une épaisseur d'environ 3 millimètres. La dureté Vickers de la plaquette a atteint 208,3 GPa, comparable à celle des diamants nanotwinned précédemment rapportés, et sa résistance à l'usure était environ 7 fois supérieure à celle des diamants polycristallins traditionnels. La microscopie électronique à transmission à haute résolution et d'autres techniques de caractérisation ont révélé la formation d'un réseau de défauts d'empilement entrelacés tridimensionnels de haute -densité - (densité atteignant 4,3 × 10¹² cm⁻²) à l'intérieur de la tranche, et ont élucidé le mécanisme microscopique par lequel le dopage à l'azote réduit l'énergie de formation des défauts d'empilement, améliorant ainsi la dureté. Ce travail propose une nouvelle approche pour la préparation à grande échelle-de diamants ultra-durs de taille en pouces-et leurs applications dans des domaines de traitement-haut de gamme.

 

Cette recherche a permis de produire une plaquette de diamant ultra-dure d'un diamètre de 5 pouces et d'une dureté de 208,3 GPa. À l'aide d'une technique de dépôt chimique en phase vapeur par plasma micro-ondes pulsé à haute fréquence-conçue par nos soins et en utilisant de l'hydrogène, du méthane, de l'azote et une petite quantité d'oxygène comme gaz sources, un substrat de diamant polycristallin de 5-pouces d'une épaisseur d'environ 2,8 mm a d'abord été développé sur un substrat de graphite. Par la suite, grâce à un processus de dopage à l'azote pulsé à haute fréquence, le temps d'écoulement de l'azote gazeux a été contrôlé avec précision à chaque cycle (minimum 6 secondes). En utilisant des atomes d'azote pour perturber l'environnement du plasma, des conditions de croissance localisées hors d'équilibre ont été créées. Cela a abouti à la formation d'un réseau de défauts d'empilement entrelacé tridimensionnel à ultra-haute-densité-au sein du diamant, permettant d'obtenir d'excellentes performances avec une dureté doublée et une résistance à l'usure multipliée par sept.