Yogesh Vohra, Doctorat., utilise le dépôt chimique en phase vapeur par plasma micro-ondes pour créer de minces films cristallins de matériaux inédits. Cet effort recherche des matériaux qui s'approchent d'un diamant en dureté et sont capables de survivre à une pression extrême, température et environnements corrosifs. La recherche de nouveaux matériaux est motivée par le désir de dépasser les limites du diamant, qui a tendance à s'oxyder à des températures supérieures à 600 degrés Celsius et réagit également chimiquement avec les métaux ferreux.

Vohra, professeur et universitaire à l'Université d'Alabama au département de physique de Birmingham, rapporte maintenant, dans la revue Rapports scientifiques , synthèse d'un nouveau matériau de carbure de bore riche en bore. Ce film, cultivé sur une plaquette de silicium de 1 pouce, est chimiquement stable, a 37 pour cent de la dureté du diamant cubique et agit comme un isolant.

D'importance égale, les tests expérimentaux du nouveau matériau, y compris la diffraction des rayons X et la mesure de la dureté du matériau et du module de Young, concordent étroitement avec les valeurs prédites calculées par l'équipe de chercheurs de l'UAB dirigée par Cheng-Chien Chen, Doctorat., professeur assistant de physique à l'UAB. Les valeurs prédites proviennent de l'analyse des premiers principes, qui utilise des calculs de théorie fonctionnelle de la densité pilotés par un superordinateur des noyaux chargés positivement et des électrons chargés négativement. Ainsi, Vohra, Chen et ses collègues ont tous deux fabriqué un nouveau composé bore-carbone et ont montré le pouvoir prédictif de l'analyse des premiers principes pour prédire les propriétés de ces matériaux.

Le nouveau matériau a la formule chimique B50C2, ce qui signifie 50 atomes de bore et deux atomes de carbone dans chaque sous-unité de la structure cristalline. La question cruciale est de savoir où les deux atomes de carbone sont placés dans chaque sous-unité cristalline ; l'insertion des carbones sur d'autres sites conduit à des matériaux instables et métalliques. Le placement précis des carbones est obtenu en faisant varier les conditions de croissance.

Le matériau B50C2 actuel a été cultivé dans un système de dépôt chimique en phase vapeur par plasma micro-ondes utilisant de l'hydrogène comme gaz vecteur et du diborane—90 pour cent d'hydrogène gazeux, 10 pour cent de B2H6 et parties par million de carbone—comme gaz réactif. Les échantillons ont été cultivés à une basse pression équivalente à la pression atmosphérique à 15 miles au-dessus de la Terre. La température du substrat était d'environ 750 degrés Celsius.

« La synthèse de matériaux en carbure de bore riches en bore par des méthodes de dépôt chimique en phase vapeur continue d'être relativement inexplorée et constitue un défi, " a déclaré Vohra. "Le défi est de trouver l'ensemble correct de conditions favorables à la croissance de la phase souhaitée."

"Nos études actuelles permettent de valider la théorie fonctionnelle de la densité en prédisant une structure cristalline stable et en fournissant une voie de synthèse métastable pour un matériau carbure de bore riche en bore pour des applications dans des conditions de pression extrêmes, température et environnements corrosifs."

Co-auteurs avec Vohra et Chen pour l'article, "Prédictions des premiers principes et synthèse du B50C2 par dépôt chimique en phase vapeur, " sont Paul A. Baker, Wei-Chih Chen et Shane A. Catledge, Département de physique de l'UAB.