Introduction aux plaquettes de diamant : Monocristallin et polycristallin

Actuellement, les plaquettes de diamant sont largement utilisées dans les industries de haute technologie en raison de leur dureté exceptionnelle et de leurs propriétés exclusives pour l'électronique, l'optique et même la découpe et le polissage. Les plaquettes de diamant sont notamment appréciées pour leur extraordinaire résistance aux conditions extrêmes telles que les hautes températures et les contraintes mécaniques intenses. Les types de plaquettes de diamant les plus courants sont les plaquettes monocristallines et les plaquettes polycristallines ; ces deux types présentent des caractéristiques et des avantages distincts pour certaines utilisations.

Qu'est-ce qu'une plaquette de diamant ?

Une plaquette de diamant est un morceau mince et plat de diamant synthétique, généralement préparé par des procédés tels que le dépôt chimique en phase vapeur (CVD) ou les méthodes HPHT. Ces plaquettes sont découpées à une taille spécifique et sont principalement utilisées comme substrats dans diverses applications industrielles et scientifiques. La dureté et la conductivité thermique du diamant en font un matériau parfaitement utilisable dans des domaines où les matériaux conventionnels risquent d'échouer.

Fig. 1 Plaque de diamant CVD

Plaquettes de diamant monocristallin

La plaquette de diamant monocristallin est constituée d'un seul cristal de diamant continu. En d'autres termes, la plaquette entière est produite à partir d'une structure uniforme où tous les atomes sont alignés de la même manière. Cette uniformité confère aux diamants monocristallins des propriétés uniques, notamment

- Conductivité thermique élevée : Leurs compétences élevées en matière de gestion thermique rendent les diamants monocristallins parfaits pour les applications dans le domaine de l'électronique de haute puissance ou de la simple dissipation de la chaleur.

- Résistance mécanique élevée : Les diamants monocristallins possèdent une résistance exceptionnellement élevée grâce à leur structure cristalline, ce qui les rend très efficaces dans des applications telles que la coupe, le meulage et le perçage.

- Clarté optique : Ces plaquettes peuvent être utilisées dans l'optique de précision, en raison de leur capacité à transmettre la lumière avec une distorsion minimale. Cela présente de grands avantages pour la technologie laser et les équipements d'imagerie spécialisés.

La croissance des diamants monocristallins est considérablement plus longue et plus coûteuse que celle des autres formes, mais le produit final est très demandé dans des applications aux performances critiques telles que la fabrication de semi-conducteurs haut de gamme, l'informatique quantique et même l'aérospatiale.

Applications des plaquettes de diamant monocristallin :

• Électronique de haute performance : Utilisées dans les dispositifs de puissance, les dissipateurs thermiques.
• Industrie des semi-conducteurs : Substrats pour les dispositifs à semi-conducteurs avancés.
• Optique et lasers : Il s'agit notamment des fenêtres laser et des lentilles de haute précision.
• La découpe et le perçage industriels impliquent des outils qui nécessitent des niveaux extrêmes de résistance à l'usure.

Plaquettes de diamant polycristallin

Les plaquettes de diamant polycristallin sont fabriquées en rassemblant des cristaux de diamant qui sont fusionnés. Ces cristaux, bien que diamantés, ne sont pas alignés en une seule structure continue. Il en résulte un matériau dont les propriétés mécaniques et thermiques varient par rapport à celles du diamant monocristallin.

Fig. 2 Diamant polycristallin [1]

Les principales caractéristiques des plaquettes de diamant polycristallin sont les suivantes :

- Coût inférieur : Les diamants polycristallins sont généralement moins chers que leurs homologues monocristallins, en raison d'un processus de croissance plus efficace. Cela fait des plaquettes de diamant polycristallin un choix économique pour de nombreuses applications.

- Grande force d'abrasion : Bien qu'il n'ait pas une structure monocristalline, le diamant polycristallin est extraordinairement résistant et trouve donc une large application dans la coupe, le meulage et le perçage lorsqu'une grande résistance à l'usure est requise.

- Polyvalence : Les domaines d'application des diamants polycristallins sont beaucoup plus vastes en raison de leur souplesse de production et de leur rentabilité.

Toutefois, les plaquettes de diamant polycristallin ont tendance à présenter une conductivité thermique plus faible et une clarté optique moindre que leurs homologues en diamant monocristallin. Par conséquent, ils ne peuvent pas être utilisés dans l'optique de haute précision ou lorsqu'une gestion supérieure de la chaleur est nécessaire.

Applications des plaquettes de diamant polycristallin :

• Outils de coupe industriels : Appliqués aux outils utilisés dans l'usinage, l'exploitation minière et d'autres utilisations abrasives.
• Dissipateurs thermiques : Lorsqu'une conductivité thermique élevée n'est pas impérative.

• Revêtements résistants à l'usure pour les composants fonctionnant dans des conditions environnementales sévères.

Comparaison : Plaquettes de diamant monocristallines et polycristallines

Voici un tableau comparatif affiné avec une structure plus claire et des points de données spécifiques le cas échéant :

Points clés à retenir :

• Conductivité thermique: Les diamants monocristallins sont nettement supérieurs en termes de dissipation de la chaleur, ce qui les rend idéaux pour les appareils électroniques de grande puissance ou les environnements nécessitant une gestion efficace de la chaleur.
• Résistance mécanique: Bien que les deux types de diamants soient solides, les diamants monocristallins tendent à surpasser les diamants polycristallins en termes d'uniformité et de résistance à la traction.
• Rentabilité: Les plaquettes de diamant polycristallin sont beaucoup plus économiques, ce qui en fait un choix intéressant pour les applications industrielles où les performances ultimes ne sont pas aussi essentielles.
• Clarté optique: Les diamants monocristallins excellent en optique grâce à leur structure cristalline uniforme, tandis que les diamants polycristallins sont moins transparents.

Conclusion

Le choix entre les plaquettes de diamant monocristallines et polycristallines dépend généralement d'un certain nombre de besoins d'application spécifiques. Les diamants monocristallins sont bien meilleurs pour les applications de haute précision dans la fabrication de semi-conducteurs, l'électronique de pointe et l'optique en raison de leurs meilleures performances en matière de conductivité thermique et de résistance mécanique. Les plaquettes de diamant polycristallin conviennent aux situations qui requièrent une durabilité pour des applications telles que la coupe et le forage industriels.

Au fur et à mesure que la recherche et la technologie progressent, le rôle que les plaquettes de diamant joueront dans de nombreuses industries continuera d'augmenter, rendant ces matériaux indispensables au développement de technologies plus efficaces, plus robustes et plus complexes. Pour plus d'informations, veuillez consulter le site Stanford Advanced Materials (SAM).

Référence :

[1] Sobolev, Nikolay & Tomilenko, A. & Bul'bak, Taras & Logvinova, Alla. (2019). Composition des hydrocarbures dans les diamants, le grenat et l'olivine des péridotites diamantifères de la cheminée d'Udachnaya en Yakoutie, Russie. Ingénierie. 5. 10.1016/j.eng.2019.03.002.