Les diamants sont de belles pierres précieuses qui, grâce à leur éclat chatoyant et à leur transparence, sont superbes dans les bijoux, mais les diamants bruts sont bien plus intéressants d'un point de vue scientifique. Les propriétés physiques et chimiques du diamant en ont fait un composant essentiel pour de nombreux appareils optiques et électroniques.

L'un des domaines de recherche prometteurs pour les applications technologiques du diamant est la métallisation de la surface du diamant, qui est utilisée pour donner à la surface du diamant de nouvelles caractéristiques telles qu'une conductivité thermique supérieure, une bonne stabilité thermique, une mouillabilité améliorée et ses propriétés physiques et chimiques originales.

Un groupe de scientifiques de Skoltech, de l'Institut de physique Lebedev de l'Académie des sciences de Russie et d'autres organisations scientifiques de premier plan ont trouvé un moyen d'améliorer l'adhérence du diamant (la liaison entre le diamant et le métal de transition) à l'aide du niobium. L'étude a été publiée dans le Journal of Alloys and Compounds. .

"Le diamant présente deux limites liées à la synthèse d'un substrat de diamant de grande taille et à la mauvaise adhérence des contacts métalliques à la surface du diamant. Par exemple, lorsque nous avons travaillé sur des détecteurs de rayonnements ionisants et appliqué des contacts en or et d'autres matériaux, l'adhésion de De tels contacts avec le diamant étaient très médiocres. À ce moment-là, nous nous demandions comment nous pourrions surmonter une telle mauvaise adhérence", a expliqué Stanislav Evlashin, co-auteur de l'étude et professeur adjoint au Centre des matériaux de Skoltech.

L’un des moyens les plus efficaces de métalliser les diamants consiste à les fritter avec des métaux tels que le titane, le chrome, le tantale, le zirconium et autres. Lorsqu'ils interagissent avec le carbone, une couche de carbure métallique se forme. Les auteurs de l'étude ont choisi le niobium en raison de sa capacité à former des films chimiquement stables de carbures de niobium sur la surface du diamant.

"Nous avons tenté de créer un supraconducteur sur la surface du diamant et avons réalisé que si nous déposons du niobium dessus puis le recuissons, les transformations de phase suivantes se produisent pendant le recuit :le film de niobium après chauffage se transforme en composé Nb₂C, et après un chauffage supplémentaire de plus de 1 200 °C. degrés — en NbC", poursuit Stanislav Evlashin.

"Les calculs théoriques du réseau constant du carbure de niobium en fonction de la concentration des défauts de carbone - souvent dans l'expérience il y a une carence en carbone - ont montré que la méthode utilisée de synthèse du carbure de niobium sur le diamant permet d'obtenir du carbure de niobium de haute qualité avec un paramètre de réseau proche d'un matériau sans défaut", a déclaré Alexander Kvashnin, co-auteur de l'étude et professeur au Centre de transition énergétique.

"Les calculs des caractéristiques supraconductrices du carbure de niobium ont montré une transition supraconductrice à une température de 19,4 K, qui s'est avérée proche de la valeur mesurée expérimentalement. Les résultats indiquent également la haute qualité du film obtenu expérimentalement."

"Notamment, la faible concentration de défauts dans le film de carbure de niobium obtenu conduit à des valeurs de diffusion électronique suffisamment élevées, par rapport à d'autres alliages à base de niobium. Et cela, ainsi que les caractéristiques supraconductrices observées, présente un intérêt pratique pour les dispositifs de détection quantique, " a ajouté Anna Kolbatova, co-auteur de l'étude et chercheuse à l'Université pédagogique d'État de Moscou.

Les chercheurs ont prouvé que la couche de carbure de niobium obtenue possède des caractéristiques supraconductrices. Si ce film est appliqué sur la surface du diamant, il sera possible de créer des détecteurs ultra-sensibles grâce à sa conductivité thermique élevée. La conductivité thermique élevée du diamant aidera à détecter les signaux ; cela se produirait beaucoup plus rapidement qu'avec d'autres matériaux.

L'étude portait sur deux projets. Le premier projet, "Etude de l'effet des éléments d'alliage sur les caractéristiques électrochimiques des matériaux carbonés nanostructurés pour la création de sources de courant prometteuses", vise à obtenir des résultats pouvant être utilisés pour créer des sources électrochimiques d'une nouvelle génération. Le deuxième projet, "Une nouvelle génération de détecteurs quantiques et de sources de photons uniques basés sur des structures de Van der Waals bidimensionnelles", vise à développer des dispositifs de détection quantique qui devraient surpasser les dispositifs traditionnels.

Parmi ceux qui ont également contribué à l'étude figurent Julia Bondareva, Fedor Fedorov, Alexander Egorov et Nikita Matsokin.

Plus d'informations : R.A. Khmelnitsky et al, Synthèse et caractérisation de films minces de carbure de niobium sur une surface de diamant pour application supraconductrice, Journal of Alloys and Compounds (2023). DOI :10.1016/j.jallcom.2023.173266.

Fourni par l'Institut des sciences et technologies de Skolkovo