Le diamant est une pierre précieuse très demandée, couramment utilisée dans la bijouterie et dans diverses applications industrielles. Durant de nombreuses années, les grandes entreprises ont été en mesure de gonfler artificiellement le prix des diamants en contrôlant l’approvisionnement en diamants extraits. Les récentes améliorations dans la production de diamants en laboratoire perturbent l’industrie du diamant.

Alors que les diamants de laboratoire sont produits depuis un certain temps dans la région Asie-Pacifique, ils sont désormais fabriqués dans le monde entier à un rythme plus rapide que jamais. Cela conduit à une augmentation significative de l’accessibilité des diamants et à une diminution de leur coût.

Techniques HPHT (Haute Pression Haute Température) et CVD (Dépôt Chimique en phase Vapeur) pour la production de diamants

Avec des pratiques de fabrication cohérentes et de qualité contrôlée, les diamants de laboratoire sont identiques à ceux formés naturellement. Les diamants synthétiques sont fabriqués à l’aide de l’un des deux procédés suivants : haute pression et haute température (HPHT) ou dépôt chimique en phase vapeur (CVD).

HPHT imite le processus naturel de création de diamants sur Terre, en utilisant des conditions de chaleur et de pression extrêmement élevées d’environ 2000 °C et plus de 1,5 million de PSI (= 103 421 bar). Les diamants fabriqués grâce au dépôt chimique en phase vapeur « CVD » sont un développement plus récent. Ce procédé imite la formation de diamants dans les nuages ​​de gaz interstellaires. Le diamant se forme couche par couche à mesure que l’énergie rompt les liaisons chimiques dans les gaz.

HPHT et CVD peuvent produire des diamants de haute qualité, mais le CVD est devenu l’approche préférée pour plusieurs raisons :

• La plupart des procédés CVD fonctionnent à des températures et des pressions plus basses que les processus HPHT, ce qui simplifie le processus de fabrication.
• Les diamants CVD sont chimiquement purs, tandis que les diamants HPHT nécessitent l’utilisation de gaz comme l’azote et le bore qui s’infiltrent dans le diamant.
• Le CVD peut être utilisé pour le dépôt de diamant sur des substrats autres que le diamant.

Utilisation du CVD pour former des diamants

Le CVD nécessite un germe de procédé pour servir de base au dépôt chimique, comme une fine tranche de diamant ou une source de graphite. La graine est placée dans une chambre qui est évacuée jusqu’à un vide poussé (environ 20 millitorrs = 0.03 mbar) pour éviter la contamination. La chambre est ensuite remplie d’un gaz riche en carbone tel que le méthane, ainsi qu’un autre gaz : soit de l’hydrogène, soit de l’oxygène.

De l’énergie est utilisée pour briser les liaisons chimiques des gaz et construire le diamant couche par couche. Cette énergie peut être fournie via la chaleur ou un plasma ionisé.

L’énergie de chauffe

Les gaz sont chauffés par activation thermique ou chimique. Pour chauffer thermiquement les gaz, un filament à l’intérieur de la chambre à vide est généralement utilisé pour atteindre une température cible de 2 000 à 2 500 °C. Une technique moins courante utilise une torche pour convertir de manière exothermique les gaz de procédé et chauffer la chambre à 500-1000°C.

Énergie du plasma ionisé

Le plasma ionisé est le plus souvent créé à l’aide d’une activation électrique ou électromagnétique à partir de micro-ondes ou de lasers. Pendant l’ionisation, les fabricants de diamants doivent réguler soigneusement la température, la pression et la composition des gaz dans les chambres à vide.

Les changements ou les fluctuations de l’une de ces trois variables auront un impact sur le taux de croissance du diamant, ainsi que sur sa pureté et sa couleur. Ces diagrammes montrent l’équilibre de la composition du gaz et le rapport pression/température nécessaire à la croissance des diamants.

Défis de la fabrication de diamants

Historiquement, la régulation de la pression en aval a été utilisé dans les procédés CVD. Dans un système en aval, un grosse vanne papillon est utilisée en combinaison avec un module de commande séparé pour gérer des débits volumétriques élevés.

Régulateur de pression Alicat Scientific de la série IVC (Integrated Vacuum Control) avec capteur de vide intégré

Les fabricants sont confrontés à de nombreux défis lorsqu’ils tentent de produire des diamants de laboratoire de qualité constante. La stabilité du système, les fuites de vide et les coûts des composants doivent chacun être soigneusement surveillés.

Contrôle du débit et de la pression dans la fabrication de diamants

Instruments Alicat Scientific utilisés dans la fabrication de diamants

Notre équipe d’ingénieurs d’application a travaillé avec des fabricants de diamants pour développer un régulateur de vide en amont spécialement conçu pour réguler la pression dans les systèmes CVD. Ces dispositifs sont avantageux pour plusieurs raisons :

• Une vanne proportionnelle à action rapide permet une réponse plus rapide du système et une meilleure stabilité
• Large plage de fonctionnement de 0,1 % à 100 % de la pleine échelle, avec une précision de ±0,5 % de la pleine échelle
• Régulation précise et flexible de la pression avec un temps de réponse du capteur extrêmement rapide de 2 ms
• Les appareils conçus pour être utilisés avec des systèmes de vide subissent des tests de fuite à l’hélium (jusqu’à 1 × 109 atm-cc/sec).
• L’instrument tout-en-un n’a pas besoin de vanne d’étranglement en aval ni de module de commande séparé.

Alors que l’industrie du diamant de laboratoire se développe, Alicat Scientific est prête à aider les fabricants à développer les systèmes CVD nécessaires à la fabrication de diamants. Les régulateurs de pression sous vide garantissent que les pressions à l’intérieur des chambres à vide soient stables et précises, en maintenant l’équilibre délicat des conditions nécessaires à la croissance des diamants.

*** Article rédigé par Aniket Patil d’Alicat Scientific, traduit de l’anglais par System-c instrumentation ***