Les chercheurs examinent en profondeur un diamant pour voir comment les atomes de ses défauts plaquettaires sont disposés dans le matériau naturel le plus dur connu de l'homme.

Une équipe multinationale de chercheurs, dont un scientifique de l'université de Wits, ont examiné en profondeur un diamant pour voir comment les atomes de ses défauts plaquettaires sont disposés dans le matériau naturel le plus dur connu de l'homme.

En utilisant deux procédés, à savoir la microscopie électronique à transmission et la spectroscopie électronique de perte d'énergie, les scientifiques ont sondé l'arrangement spatial des atomes de carbone et d'azote formant le noyau des défauts. La nature des liaisons entre les atomes a également été déterminée.

Comme les vides et les inclusions, les plaquettes sont appelées "défauts" ou imperfections des diamants. Là où les atomes de carbone dans les diamants sont en parfait arrangement périodique, un défaut plaquettaire perturbe l'arrangement périodique des atomes de carbone, résultant en un défaut qui ressemble à une minuscule ligne droite à l'intérieur de la pierre précieuse lorsqu'elle est imagée avec un microscope électronique le long d'une direction spécifique dans le cristal de diamant.

La recherche sur la nature des défauts d'un diamant se poursuit depuis de nombreuses décennies, mais la percée a eu lieu lorsqu'un microscope électronique à transmission à correction d'aberration de résolution atomique au Centre de microscopie à haute résolution de l'Université Nelson Mandela a été utilisé pour imager et analyser les défauts des plaquettes. Le microscope fonctionnait en mode microscopie électronique à transmission à balayage (STEM), à l'aide d'un détecteur de champ sombre annulaire à grand angle avec une imagerie spectrale de perte d'énergie électronique (EEL), dit le professeur Mervin Naidoo de la Wits School of Physics. Un article sur le travail de l'équipe qui comprenait des scientifiques de l'Université Nelson Mandela, Université d'État libre, l'Université d'Oxford au Royaume-Uni et le Max Planck Institute en Allemagne, a été récemment publié dans la revue, Matériaux naturels .

De fines sections de diamant pour l'analyse STEM ont été préparées en utilisant un faisceau d'ions focalisé (FIB) pour couper des sections de 5x10 microns avec une épaisseur d'environ 20-50 nanomètres (nm est un milliardième de mètre). Les sections ont ensuite été étudiées dans un microscope électronique à résolution atomique en faisant passer un faisceau focalisé d'électrons avec une énergie bien définie à travers la section de diamant mince. Le motif d'interférence formé par les « ondes » d'électrons après avoir traversé une mince section de diamant génère une image de l'arrangement spatial des atomes de carbone dans le cristal de diamant ainsi que des atomes de carbone et d'azote dans le défaut plaquettaire. Les données de perte d'énergie des électrons correspondantes fournissent des informations sur la composition chimique de la plaquette et la nature des liaisons chimiques entre les atomes.

« En juxtaposant ces images les unes aux autres, nous avons pu créer une image unique de la plaquette, " dit Naidoo.

Alors que de nombreux modèles théoriques de l'arrangement atomique des atomes dans les plaquettes ont été proposés dans le passé, l'étude actuelle a été la première à avoir réussi à imager les positions atomiques exactes dans les plaquettes et à les faire correspondre à l'un des modèles théoriques proposés précédemment.

Les atomes de carbone d'un diamant sont disposés dans un réseau tridimensionnel périodique. Le défaut plaquettaire interrompt l'arrangement périodique des atomes en introduisant un type de défaut planaire étendu, contenant principalement du carbone et quelques atomes d'azote. Les atomes de la plaquette sont disposés dans un ordre en zigzag de paires de défauts le long de la ligne de défaut.

"Les diamants sont des messagers des profondeurs. La connaissance de la structure et de la composition d'un défaut plaquettaire pourrait nous dire comment les diamants se forment dans la Terre et quels processus sont impliqués dans leur formation, " dit Naidoo. En d'autres termes, les connaissances actuelles permettent désormais aux chercheurs de formuler un modèle dynamique des possibles interactions de défauts ponctuels qui ont finalement formé cette structure plaquettaire. »

Les plaquettes peuvent aussi maintenant être produites en diamants synthétiques, ce qui permettrait aux scientifiques de comparer la nature des plaquettes des diamants naturels à leurs homologues synthétiques.

Ces résultats ont également révélé que les plaquettes ne sont pas constituées uniquement d'atomes d'azote, mais il a montré que les plaquettes contiennent de l'azote et que les atomes d'azote jouent très probablement un rôle dans la cinétique de formation des plaquettes.

"Nous avons découvert un mystère. Nous avons répondu par des techniques d'imagerie électronique à résolution atomique à la question de l'arrangement atomique des atomes dans les défauts plaquettaires du diamant. Cette étude ouvre maintenant d'autres voies de recherche passionnantes, " dit Naidoo. " Ce n'est pas la fin de l'histoire. "