Diamant synthétique

Un diamant peut être monocristallin, ou polycristallin, c'est-à-dire fait de nombreux cristaux plus petits. On utilise typiquement les grands diamants monocristallins, nets et transparents en joaillerie. Un diamant polycristallin (Polycrystalline diamond (PCD) en anglais) est constitué de nombreux petits grains facilement visibles à l’œil parce qu'ils absorbent et dispersent beaucoup la lumière. Il est inadapté à la joaillerie et est donc plutôt utilisé pour des applications industrielles comme l’exploitation minière et la fabrication d’outils coupants. Le PCD est souvent décrit par la taille des grains qui le constituent. La taille de ces grains peut aller de quelques nanomètres à plusieurs centaines de micromètres. Les diamants correspondants sont usuellement appelés « nanocristallins » et « microcristallins »[7].

Le diamant synthétique est la matière la plus dure connue[8], la dureté étant définie comme la résistance à la rayure et étant notée de 1 (le plus tendre) à 10 (le plus dur), selon l'échelle de dureté minérale de Mohs[9]. La dureté d’un diamant synthétique dépend de sa pureté, de sa perfection cristalline et de son orientation : la dureté est plus élevée pour des cristaux purs et sans défauts, avec un diamant orienté dans la direction [111], soit le long de la plus longue diagonale de la construction cubique du diamant en question[10]. Les diamants nanocristallins produits par dépôt chimique en phase vapeur (Chemical vapor deposition (CVD) en anglais) peuvent avoir une dureté allant de 30 % à 75 % de celle d'un monocristal, et cette dureté peut être contrôlée pour certaines applications spécifiques. Certains diamants monocristallins et certains diamants nanocristallins HPHT sont plus durs qu'aucun diamant naturel connu[8] - [11] - [12].

Chaque diamant contient d’autres atomes que le carbone dans des concentrations détectables par des méthodes analytiques. Ces atomes peuvent se regrouper en phases macroscopiques appelées inclusions. Les impuretés sont en général évitées, mais peuvent être incorporées, comme moyen de contrôler certaines propriétés du diamant.

Par exemple, un diamant pur est un isolant électrique, mais un diamant auquel on a ajouté du bore est conducteur, et dans certains cas supraconducteur[13], lui permettant d’être utilisé pour des applications électroniques. Les impuretés azotées empêchent le mouvement de la structure et place cette dernière sous une contrainte compressive, augmentant par-là sa dureté et sa solidité[14].

Le diamant pur est un bon conducteur de chaleur du fait des fortes liaisons covalentes constituant le cristal. La conductivité thermique du diamant pur est la plus élevée connue, derrière celle du graphène, pour un solide à température ambiante. A très basse température, comme pour tous les isolants, sa conductivité électrique est très faible contrairement aux métaux dont la conductivité thermique, comme la conductivité électrique, augmentent lorsque leur température baisse. Les diamants synthétiques monocristallins enrichis en atomes de carbone 12 (99,9 %), isotopiquement purs, ont la plus haute conductivité thermique de tous les matériaux, 30 W/cm/cm.K à température ambiante, soit 7,5 fois plus que le cuivre. La conductivité des diamants naturels est réduite de 1,1 % par le carbone 13 naturellement présent, qui déshomogénéise la structure[15]. Ces propriétés permettent au diamant d'être utilisé comme dissipateur thermique pour des composants électroniques ou opto-électroniques comme des lasers.

La conductivité thermique naturelle du diamant est utilisée par les bijoutiers et autres gemmologues pour différencier un vrai diamant d’une imitation. Ce test repose sur une paire de thermistances alimentées par batterie, montée sur une pointe cuivre. L’une fonctionne comme un dispositif de chauffage pendant que l’autre mesure la température de la pointe de cuivre. Si la pierre testée est un diamant, elle conduira l’énergie thermique de la pointe assez rapidement pour produire une chute de température mesurable. Le test prend 2 à 3 secondes[16].

La technique HPHT (en français Haute pression, haute température) consiste à faire un mélange de carbone (sous une forme abondante) et de métaux de transition (qui feront office de catalyseurs) et à soumettre le tout à une très haute pression (environ 58 000 atmosphères) et température (environ 1 400 °C). La formation du diamant se fait alors par germination et croissance. Dans la méthode du gradient de température, un germe de diamant est inséré dans le réacteur avant la réaction.

Cette technique ne produit pour l'instant que des diamants de couleurs (jaune, orange, rose et bleu), du fait des inclusions d'azote et d'autres impuretés.

Plusieurs entreprises, comme LifeGem ou Algordanza, utilisent cette technique pour réaliser des diamants composés du carbone issus des cendres de la crémation.

La technique CVD (en anglais Chemical vapor deposition; en français Dépôt chimique en phase vapeur) consiste à faire croître le diamant par couches successives. La méthode consiste à placer une couche de diamant (substrat ou graine) dans une chambre où règne typiquement une pression d'un dixième d'atmosphère. De l'hydrogène et du méthane (gaz précurseurs) sont alors injectés et l'ensemble est par la suite ionisé à l'aide d'une décharge micro-onde (fréquence de 2,45 GHz). Un plasma est alors initié et les espèces qui en sont issues (ions, radicaux, etc. provenant des gaz initialement injectés) s'adsorbent sur le substrat. La formation d'une couche de diamant qui croît avec le temps a lieu après diffusion et réaction en surface des espèces réactives. Les diamants pourront être obtenus après découpe de cette couche ; cette dernière peut également servir telle quelle pour l'industrie microélectronique notamment.

Cette technique produit des diamants bien plus purs que ceux qui sont obtenus avec la HPHT.

• La partie « Propriétés » est traduite de l'article correspondant de la page anglaise de Wikipedia.

• Des diamants plus vrais que nature, de Sylvie Rouat, Sciences et Avenir de janvier 2006

• Diamant
• Dioxyde de zirconium
• Jewellery Ethically Minded
• Faux minéraux et fossiles
• L'Étoile du sud, roman de Jules Verne mettant en scène un chimiste cherchant à réaliser un diamant de synthèse
  • James MacTear