C - EN COUVERTURE - Les multiples facettes de DIAMANTS ARTIFICIELLES
B les années 1930 vant, les pierres précieuses de choix pour les bagues de fiançailles inclus opales, rubis et saphirs. Mais dans les années 1940, l'entreprise minière sud-africaine de De Beers qui contrôle la majorité de l'approvisionnement en diamants du monde - a présenté « Un diamant est éternel. » Le succès de cette campagne se diamant dans le symbole de l'amour éternel et a considérablement augmenté la demande pour les pierres précieuses.
RING DIAMOND En raison de sa transparence optique, la conductivité thermique élevée et une résistance à l'attaque chimique, le diamant synthétique est un matériau attrayant pour la fabrication de fenêtres optiques pour les instruments utilisés dans des environnements extrêmes. SIX ÉLÉMENT PHOTO
Dans un entrepôt à Sarasota, Floride une société appelée Gemesis est de plus en plus dans les diamants deux douzaine à haute pression, des chambres de croissance cristalline à haute température, de la taille d'une machine à laver. Dans chaque chambre, un petit ruban de diamant naturel est baigné dans une solution en fusion de graphite et d'un catalyseur à base de métal de propriété à environ 1500 ° C et 58 000 atm de pression. Lentement, précipite le carbone sur le germe cristallin de diamant. Un petit bijou de qualité, rugueux pousse diamant jaune 2,8 carats en moins de trois jours et demi.
Un diamant brut de cette taille peut être coupé et poli pour donner un petit bijou de plus grand diamant de 1,5 carats. (. Un demi-carat est égal à 100 mg de diamant et est à peu près la taille d'un grain de maïs) Tout comme naturel diamants jaunes, les pierres en laboratoire jauni obtenir leur couleur à partir de quantités de traces d'impuretés d'azote: Remplacement de moins de cinq sur chaque 100.000 atomes de carbone dans le réseau cristallin de diamant avec des atomes d'azote donne un diamant jaune.
Naturelle diamants de fantaisie de couleur - jaunes, bleus, roses et rouges - sont très rares et donc très précieux. Un diamant Gemesis créé fantaisie de couleur jaune - visiblement impossible à distinguer d'un naturel, même à un gemmologiste formé - peut être acheté pour environ 4 000 $ par carat. Cela représente environ 30% de moins que le prix d'un diamant naturel de couleur et de qualité similaires, selon Robert Chodelka, vice-président de Gemesis pour la technologie.
BRUTS Pour développer ses diamants jaunes de qualité gemme (une grossière on est illustré ci-dessus), Gemesis utilise lave-linge taille des chambres à croissance cristal pour reproduire les hautes pressions et températures élevées que la nature repose sur. PHOTOS Gemesis
Les premiers diamants synthétiques (grain de diamant) ont été produites au début des années 1950 par des chercheurs du Allmanna Svenska Elektriska Aktiebolaget Laboratory à Stockholm, en Suède. Ils ne publient pas immédiatement leur travail. Peu après, les chercheurs de GE ont rapporté leur propre synthèse de diamant avec succès dans la nature. Comme Gemesis, les deux équipes ont utilisé des conditions qui simulent les pressions et les températures auxquelles les diamants sont censés former naturellement.
Chodelka dit C-FR que Gemesis est « engagée à la divulgation », faisant remarquer que tous les diamants de l'entreprise sont inscrits au laser. De plus, il dit des traces de nickel laissé dans le diamant du catalyseur métallique provoquer une phosphorescence de courte durée après l'exposition à la lumière ultraviolette intense - une caractéristique non partagée par la plupart des diamants naturels. Il souligne également que les différences dans la répartition spatiale des défauts d'azote entre les diamants naturels et cultivés Gemesis-peuvent être détectés par spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier et la spectroscopie d'absorption des rayons X.
Mais le plan d'affaires de Gemesis commence seulement avec des pierres précieuses. Le diamant a une gamme extraordinaire de propriétés des matériaux: Il est le matériau le plus dur et plus rigide connu; est un excellent isolant électrique; a la conductivité thermique la plus élevée de toute matière se dilate encore à peine en cas de chauffage; est transparent aux UV, visible et la lumière infrarouge; et est chimiquement inerte vis-à presque tous les acides et les bases.
propriétés superlatifs de diamant sont peaufinés par des impuretés trouvées dans le réseau de carbone - les mêmes impuretés qui produisent des couleurs dans le diamant naturel. Les diamants ayant un réseau cristallin de carbone parfait sans défauts ou substitutions sont incolores. Un tel diamant a une grande largeur de bande - ce qui signifie que l'énergie nécessaire pour libérer un électron de sorte qu'il peut se déplacer à travers le réseau du diamant est élevée - et est donc un excellent isolant électrique. Mais en remplaçant une partie des atomes de carbone dans le réseau de diamant avec du bore - une impureté qui produit la jolie couleur bleue dans certains diamants rares, y compris le célèbre diamant Hope --transforms diamant dans un semiconducteur de type p. C'est parce que le bore a seulement trois électrons périphériques et peut faire que trois des quatre obligations que le carbone fait normalement dans le réseau du diamant. Le résultat est un électron manquant ou « trou » qui peut se déplacer librement à travers le cristal, ce qui permet le diamant de mener une charge positive.
Mais à haute pression, les méthodes à haute température de synthèse du diamant comme l'offre de Gemesis limité le contrôle des impuretés et produisent des diamants de taille limitée, dit Butler. Apollo diamant. une start-up à Boston, pense qu'une technique basse pression appelée dépôt chimique en phase vapeur (CVD) pourrait être la réponse. Butler est d'accord. « Aussi intéressant et aussi important que la haute pression, la méthode à haute température est, il ne sera pas avoir l'impact technologique de croissance du diamant par dépôt chimique en phase vapeur, » il dit C-FR.
Apollo utilise CVD pour développer des plaquettes de diamant monocristallines assez grand pour être coupé en pierres précieuses de diamant d'un carat de plus. La méthode d'Apollon peut Grossissent diamants et est moins cher que de haute pression, des méthodes à haute température, note Robert C. Linares, le fondateur d'Apollo et président.
Une version lente, fastidieuse du procédé CVD basse pression a été la première fois en 1952 par William G. Eversole de Union Carbide. À l'époque, « il y avait beaucoup de scepticisme que l'on pourrait croître diamant à basse pression parce que le diamant est thermodynamiquement instable par rapport au graphite », se souvient John C. Angus. professeur de génie chimique à l'Université Case Western Reserve, Cleveland. « Beaucoup de gens ont dit que la croissance du diamant à basse pression a violé la deuxième loi de la thermodynamique. Vous avez été considéré comme un fou ou une fraude si vous proposiez cela », dit-il.
Union Carbide a abandonné par la suite du projet. Mais un petit groupe de scientifiques russes et américains, y compris Angus, poussé vers l'avant. En fin des années 1960, Angus a réussi à prouver que la croissance du diamant par CVD était en effet possible. La méthode a été affinée dans un processus commercial viable dans les années 1980 par des scientifiques de l'Institut national de recherche en matériaux inorganiques à Tsukuba, au Japon.
CEPENDANT, en utilisant le diamant monocristallin au lieu de diamant polycristallin dans ces applications présente des avantages. Parce que les C # 151; liaisons C qui maintiennent son patchwork de minuscules cristaux ensemble sont plus faibles que C # 151; liaisons de carbone dans le diamant monocristallin, le diamant polycristallin est pas aussi thermiquement conducteur, comme optiquement transparent, ou aussi forte que seul diamant -Crystal. En fait, pour certaines applications - en particulier ceux tels que l'électronique qui nécessitent la mobilité la plus élevée porteuse - que le diamant monocristallin fera, Linares dit C-FR. Pour diamant à la hauteur de sa promesse comme une alternative au silicium pour la fabrication de dispositifs électroniques, « ce qui est nécessaire est de haute qualité, diamant CVD monocristallin dans les tailles utilisables », ajoute Coe.
Les deux Coe et Linares suggèrent que, grâce à sa forte conductivité thermique et de la mobilité des porteurs électriques, le diamant semi-conducteur monocristallin sera le matériau ultime pour façonner les appareils électroniques de grande puissance. Element Six est déjà fait quelques prototypes de dispositifs simples, tels que des commutateurs, des diamants de type p semiconductrices, dit Coe. Mais la plupart des appareils, il faudra deux trous conducteur (type p) et conductrices d'électrons (type n) des semi-conducteurs de diamant. Le premier est facile: deux rapport Six et Apollo Element qu'ils peuvent utiliser leurs méthodes de CVD pour faire des plaquettes de diamant monocristallin dopé au bore qui sont d'excellents semi-conducteurs de type p. Cependant la production de diamant n-semi-conducteur de type est avérée plus difficile,.
Un certain nombre de dopants de type n potentiels ont été étudiés, notamment le phosphore. Un groupe dirigé par Hisao Kanda de l'Institut national japonais pour la science des matériaux a montré que le dopage diamant avec du phosphore donne diamant de type n semi-conducteur. L'équipe a continué à montrer que dopé au phosphore et peut être combiné diamant dopé au bore pour faire un dispositif électrique simple appelé une jonction p-n.