Cependant, les diamants produits par HPHT sont toujours limités à des tailles d'environ un centimètre cube en raison des composants impliqués. Autrement dit, atteindre des pressions aussi élevées ne peut être réalisé qu’à une échelle de longueur relativement petite. Découvrir des méthodes alternatives pour fabriquer des diamants dans du métal liquide dans des conditions plus douces (en particulier à basse pression) constitue un défi scientifique fondamental fascinant qui, s’il est réalisé, pourrait révolutionner la fabrication du diamant. Le paradigme dominant pourrait-il être remis en question ?

Une équipe de chercheurs dirigée par le directeur Rod RUOFF du Centre pour les matériaux carbonés multidimensionnels (CMCM) au sein de l'Institut des sciences fondamentales (IBS), comprenant des étudiants diplômés de l'Institut national des sciences et technologies d'Ulsan (UNIST), a cultivé des diamants dans des conditions de 1 atmosphère de pression et à 1 025°C en utilisant un alliage métallique liquide composé de gallium, de fer, de nickel et de silicium, brisant ainsi le paradigme existant. La recherche a été publiée dans la revue Nature .

La découverte de cette nouvelle méthode de croissance ouvre de nombreuses possibilités pour des études scientifiques fondamentales plus poussées et pour intensifier la croissance des diamants de nouvelles manières.

Le directeur Ruoff, qui est également professeur émérite de l'UNIST, déclare :« Cette avancée pionnière est le résultat de l'ingéniosité humaine, des efforts inlassables et de la coopération concertée de nombreux collaborateurs. »

Les chercheurs dirigés par Ruoff ont mené une série d'expériences, impliquant plusieurs centaines d'ajustements de paramètres et diverses approches expérimentales, avant de finalement réussir à faire pousser des diamants à l'aide d'un système de vide à paroi froide « fait maison ».

Ruoff ajoute :« Nous avions mené nos études paramétriques dans une grande chambre (appelée RSR-A avec un volume intérieur de 100 litres) et notre recherche de paramètres susceptibles de permettre la croissance du diamant a été ralentie en raison du temps nécessaire pour pomper l'air. (environ 3 minutes), purger avec un gaz inerte (90 minutes), suivi d'un pompage à nouveau jusqu'au niveau de vide (3 minutes) afin que la chambre puisse ensuite être remplie avec 1 atmosphère de pression d'un mélange hydrogène/méthane assez pur (à nouveau 90 minutes). ); soit plus de 3 heures avant que l'expérience puisse commencer !

"J'ai demandé au Dr Won Kyung Seong de concevoir et de construire une chambre beaucoup plus petite afin de réduire considérablement le temps nécessaire pour démarrer (et terminer) l'expérience avec le métal liquide exposé au mélange de méthane et d'hydrogène."

Seong ajoute :« Notre nouveau système de fabrication artisanale (appelé RSR-S, avec un volume intérieur de seulement 9 litres) peut être pompé, purgé, pompé et rempli d'un mélange méthane/hydrogène, en un temps total de 15 minutes. les études ont été considérablement accélérées, ce qui nous a permis de découvrir les paramètres selon lesquels le diamant se développe dans le métal liquide !"

L'équipe a découvert que le diamant se développe sous la surface d'un alliage métallique liquide constitué d'un mélange 77,75/11,00/11,00/0,25 (pourcentages atomiques) de gallium/nickel/fer/silicium lorsqu'il est exposé au méthane et à l'hydrogène sous une pression de 1 atm à ~1 025°C.

Yan Gong, étudiant diplômé de l'UNIST et premier auteur, explique :« Un jour avec le système RSR-S, lorsque j'ai mené l'expérience, puis refroidi le creuset en graphite pour solidifier le métal liquide et retiré le morceau de métal liquide solidifié, j'ai remarqué un "motif arc-en-ciel" réparti sur quelques millimètres sur la surface inférieure de cette pièce. Nous avons découvert que les couleurs de l'arc-en-ciel étaient dues aux diamants ! Cela nous a permis d'identifier des paramètres favorisant la croissance reproductible du diamant."

La formation initiale se produit sans avoir besoin de diamant ou d'autres particules germes couramment utilisées dans les méthodes conventionnelles de synthèse HPHT et de dépôt chimique en phase vapeur. Une fois formées, les particules de diamant fusionnent pour former un film, qui peut être facilement détaché et transféré sur d'autres substrats, pour des études plus approfondies et des applications potentielles.

Les mesures de diffraction des rayons X bidimensionnelles synchrotron ont confirmé que le film de diamant synthétisé présente une très grande pureté de phase diamant. Un autre aspect intrigant est la présence de centres de couleur sans silicium dans la structure du diamant, car une intense raie de phonon zéro à 738,5 nm dans le spectre de photoluminescence excitée par l'utilisation d'un laser à 532 nm a été trouvée.

Le co-auteur, le Dr Meihui Wang, déclare :"Ce diamant synthétisé avec des centres de couleur vacants en silicium pourrait trouver des applications dans la détection magnétique et l'informatique quantique."

L’équipe de recherche a approfondi les mécanismes possibles de nucléation et de croissance des diamants dans ces nouvelles conditions. L'imagerie au microscope électronique à transmission (TEM) à haute résolution sur des coupes transversales des échantillons a montré une région souterraine amorphe d'environ 30 à 40 nm d'épaisseur dans le métal liquide solidifié qui était directement en contact avec les diamants.

Le co-auteur, le Dr Myeonggi Choe, déclare :"Environ 27 % des atomes présents à la surface supérieure de cette région amorphe étaient des atomes de carbone, la concentration en carbone diminuant avec la profondeur."

Ruoff ajoute :« La présence d'une concentration aussi élevée de carbone « dissous » dans un alliage riche en gallium pourrait être inattendue, car le carbone ne serait pas soluble dans le gallium. Cela peut expliquer pourquoi cette région est amorphe, alors que toutes les autres régions du métal liquide solidifié sont cristallins. Cette région souterraine est l'endroit où nos diamants se nucléent et se développent et nous nous sommes donc concentrés sur elle. "

Les chercheurs ont exposé le métal liquide Ga-Fe-Ni-Si au méthane/hydrogène pendant de courtes périodes pour tenter de comprendre le premier stade de croissance, bien avant la formation d'un film de diamant continu. Ils ont ensuite analysé les concentrations de carbone dans les régions souterraines à l'aide du profilage en profondeur par spectrométrie de masse d'ions secondaires à temps de vol.

Après une analyse de 10 minutes, aucune particule de diamant n'était évidente, mais il y avait environ 65 % d'atomes de carbone présents dans la région où le diamant se développe généralement. Des particules de diamant ont commencé à être trouvées après une analyse de 15 minutes, et il y avait une concentration souterraine d'atomes de carbone inférieure d'environ 27 at %.

Ruoff dit :« La concentration d'atomes de carbone souterrains est si élevée à environ 10 minutes que cette durée d'exposition est proche ou à la sursaturation, conduisant à la nucléation des diamants soit à 10 minutes, soit entre 10 et 15 minutes. les particules devraient apparaître très rapidement après la nucléation, entre 10 et 15 minutes environ."

La température à 27 endroits différents du métal liquide a été mesurée à l'aide d'un accessoire fixé à la chambre de croissance comportant un ensemble de neuf thermocouples conçus et construits par Seong. La région centrale du métal liquide s’est avérée avoir une température plus basse que les coins et les côtés de la chambre. On pense que ce gradient de température entraîne la diffusion du carbone vers la région centrale, facilitant ainsi la croissance des diamants.

L’équipe a également découvert que le silicium joue un rôle essentiel dans cette nouvelle croissance du diamant. La taille des diamants cultivés devient plus petite et leur densité augmente à mesure que la concentration de silicium dans l’alliage augmente par rapport à la valeur optimale. Les diamants ne pourraient pas être cultivés sans l'ajout de silicium, ce qui suggère que le silicium pourrait être impliqué dans la nucléation initiale du diamant.

Ceci a été étayé par les divers calculs théoriques effectués pour découvrir les facteurs qui pourraient être responsables de la croissance des diamants dans ce nouvel environnement de métaux liquides. Les chercheurs ont découvert que le silicium favorise la formation et la stabilisation de certains amas de carbone en formant principalement sp ³ des liaisons comme le carbone. On pense que de petits amas de carbone contenant des atomes de Si pourraient servir de « prénoyaux », qui pourraient ensuite se développer davantage pour nucléer un diamant. On prévoit que la taille probable d'un noyau initial est d'environ 20 à 50 atomes de carbone.

Ruoff déclare :« Notre découverte de la nucléation et de la croissance du diamant dans ce métal liquide est fascinante et offre de nombreuses opportunités passionnantes pour une science plus fondamentale. Nous explorons maintenant « quand » la nucléation, et donc la croissance rapide ultérieure du diamant, se produit. Les expériences de chute de température où nous obtenons d'abord une sursaturation du carbone et d'autres éléments nécessaires, suivie d'une baisse rapide de la température pour déclencher la nucléation, sont des études qui nous semblent prometteuses."

L’équipe a découvert que leur méthode de croissance offre une flexibilité significative dans la composition des métaux liquides. Le chercheur Dr Da Luo déclare :« Notre croissance optimisée a été obtenue en utilisant l'alliage liquide gallium/nickel/fer/silicium. Cependant, nous avons également découvert que du diamant de haute qualité peut être cultivé en remplaçant le nickel par du cobalt ou en remplaçant le gallium par un gallium. -mélange d'indium."

Ruoff conclut :« Le diamant pourrait être cultivé dans une grande variété d'alliages métalliques liquides à point de fusion relativement bas, tels que ceux contenant un ou plusieurs éléments parmi l'indium, l'étain, le plomb, le bismuth, le gallium et potentiellement l'antimoine et le tellure, et inclure dans l'alliage fondu d'autres des éléments tels que le manganèse, le fer, le nickel, le cobalt, etc. comme catalyseurs, et d'autres comme dopants qui donnent des centres de couleur. Et il existe une large gamme de précurseurs de carbone disponibles en plus du méthane (divers gaz, ainsi que des carbones solides).

"Les nouvelles conceptions et méthodes permettant d'introduire des atomes de carbone et/ou de petits amas de carbone dans les métaux liquides pour la croissance des diamants seront sûrement importantes, et la créativité et l'ingéniosité technique de la communauté mondiale des chercheurs me semblent susceptibles, sur la base de notre découverte, de conduire rapidement à d'autres approches et configurations expérimentales connexes. Il existe de nombreuses pistes fascinantes à explorer !"