Comment sont fabriqués les diamants cultivés en laboratoire : méthodes HPHT et CVD

Introduction

Les diamants cultivés en laboratoire sont une alternative moderne aux diamants extraits des mines. Ils ont la même composition chimique que les diamants naturels. Ils sont cultivés dans des conditions contrôlées. Nous allons expliquer les deux principaux processus qui permettent de créer les diamants cultivés en laboratoire.

Qu'est-ce qu'un diamant de laboratoire ?

Les diamants de laboratoire sont des cristaux cultivés en laboratoire plutôt que dans la terre. Ils sont fabriqués à partir de carbone pur. Ils possèdent la liaison sp³ et la structure cristalline cubique des diamants naturels. Ils sont chimiquement identiques. Ils sont essentiellement identiques en termes de brillance et de dureté dans la plupart des cas.

Les principaux avantages de ces diamants sont l'approvisionnement éthique puisqu'il n'y a pas d'exploitation minière. L'effet sur l'environnement est négligeable et les coûts sont inférieurs à ceux des diamants extraits. Ils offrent un bon contrôle de la qualité du produit final. C'est pour cette raison qu'ils sont préférés dans la bijouterie et dans les applications industrielles.

Aperçu des techniques de croissance des diamants

L'histoire de la synthèse des diamants remonte aux années 1950. Les premières expériences ont été menées pour déterminer si les diamants pouvaient être formés en dehors de la nature. À l'heure actuelle, deux procédés ont été mis au point.

La première méthode est le procédé à haute pression et à haute température. Il imite le processus naturel qui se déroule dans les profondeurs de la Terre, où les diamants se forment sur une période de plusieurs millions d'années. La seconde méthode est le dépôt chimique en phase vapeur. Elle construit le diamant atome par atome et permet un contrôle précis du processus de croissance.

Les deux procédés se sont améliorés avec le temps. Ils ont tous deux leurs conditions et leurs rouages. Ils peuvent tous deux être utilisés pour des applications différentes. Découvrons les caractéristiques et les avantages de ces deux procédés.

La méthode à haute pression et à haute température

Principe de la croissance à haute pression et à haute température

Le procédé repose sur le fait que la formation du diamant est soumise à des conditions très strictes. Il utilise des pressions allant de 5 à 6 gigapascals. La température est maintenue aux alentours de 1500 à 1600°C. Ces conditions facilitent la transformation du graphite en diamant. La transformation est favorisée par ces conditions extrêmes. Ce processus ressemble à celui de la nature, mais dans un laps de temps très court.

Équipement et installation

Ce procédé nécessite un équipement spécial. Les systèmes de presse varient. Les presses cubiques, les presses à bande et les presses à sphère divisée (ou presses BARS) sont courantes. Ces machines peuvent gérer des pressions et des températures élevées, ce qui permet de contrôler le processus de croissance.

Étapes du processus

La méthode commence par une petite graine de diamant. Une source de carbone est ajoutée et soumise à des conditions extrêmes. Un catalyseur métallique fondu (fer, nickel ou cobalt) est ajouté. Le catalyseur aide les atomes de carbone à s'organiser en forme de diamant. La croissance est très lente. Le cristal de diamant s'étend vers l'extérieur à partir de la graine au fil du temps. Le processus peut prendre des heures, voire des jours, en fonction de la taille et de la qualité.

Caractéristiques typiques

Les diamants formés selon ce processus peuvent présenter une faible teinte jaunâtre. Cette teinte est due à l'introduction d'azote pendant la croissance. Ils présentent également des motifs d'inclusion distincts et des zones de croissance visibles. Des diamants de qualité industrielle et des diamants de qualité gemme peuvent être produits. La plupart des utilisations de ces diamants dans l'industrie sont dues au fait que leurs caractéristiques physiques conviennent à des opérations telles que la coupe, le forage et le broyage.

Le processus de dépôt chimique en phase vapeur

Principe de la croissance par dépôt chimique en phase vapeur

Le procédé de dépôt chimique en phase vapeur est unique. Il part d'un mélange d'hydrocarbures gazeux tels que l'hydrogène et le méthane. Un plasma de carbone est produit en phase gazeuse à l'intérieur d'une chambre à vide. Les atomes tombent sur un substrat et construisent le diamant couche par couche. Ce procédé permet aux scientifiques de mieux contrôler la pureté et la structure du diamant obtenu.

Étapes du processus

Dans cette méthode, la première étape consiste à préparer un substrat propre. Le substrat contient généralement une minuscule graine de diamant. Le processus se déroule ensuite dans une chambre à vide. Un plasma à micro-ondes ou un filament chaud est utilisé pour la dissociation des hydrocarbures gazeux. Les atomes de carbone sont émis et se déposent sur le substrat. La vitesse de croissance, la température de la chambre et les ratios de gaz sont soigneusement contrôlés. Cet empilement précis facilite la formation de couches de diamants très uniformes, contenant souvent des inclusions moins métalliques.

Qualité du diamant obtenu

La méthode de dépôt chimique en phase vapeur est susceptible de produire des diamants très purs. Ils sont pour la plupart incolores et sont appelés diamants de type IIa. Ces diamants ont des structures internes très uniformes. La méthode produit généralement moins de défauts que la méthode à haute pression et à haute température. Comme ils sont très transparents et ont des propriétés contrôlées, ils sont idéaux pour les bijoux de haute qualité. Les semi-conducteurs utilisent également ces diamants de qualité dans de nombreuses applications.

Conclusion

Les diamants de laboratoire sont le résultat d'une technologie avancée et de décennies de recherche. La méthode de la haute pression et de la haute température reproduit la nature. Elle utilise une pression et une chaleur intenses avec un catalyseur pour convertir le graphite en diamant. La méthode de dépôt chimique en phase vapeur construit le diamant atome par atome en laboratoire. Les deux méthodes ont leurs avantages et leurs inconvénients. Pour plus d'informations, veuillez consulter le site Stanford Advanced Materials (SAM).

Questions fréquemment posées

Q : Quelle est la principale différence entre les diamants naturels et les diamants cultivés en laboratoire ?

R : Les diamants cultivés en laboratoire sont produits en laboratoire, tandis que les diamants naturels sont formés dans le sol.

Q : Pourquoi quelqu'un choisirait-il le procédé à haute pression et à haute température ?

R : Parce qu'il s'agit d'une simulation très proche des méthodes naturelles et qu'il permet de créer des diamants d'une forme unique.

Q : Comment le procédé de dépôt chimique en phase vapeur garantit-il la qualité des diamants ?

R : Il construit les diamants atome par atome sous un contrôle strict pour une croissance régulière.