Ils taillent des diamants pour en faire des composants optiques

Une méthode non-conventionnelle pour «tailler» des diamants à l’échelle microscopique, avec la forme souhaitée et des surfaces atomiquement lisses. Tel est le procédé mis au point par une équipe de chercheurs de l’EPFL. Leur méthode inédite, qui sera présentée lors de la conférence ‘International Conference on Diamond and Carbon Materials DCM2017’ le 5 septembre, ouvre la porte à la fabrication de réseaux de diffractions optiques en diamant pur, dont les propriétés singulières les rendent intéressants aussi bien en termes de spectroscopie que pour des éléments optiques dans des lasers à très haute puissance.

Les réseaux de diffraction, sont des dispositifs faits de fentes parallèles, dont le rôle est de décomposer la lumière en ses différentes composantes spectrales, un peu à la façon d’un prisme. Habituellement composés de verre ou de silicium, ils sont déjà utilisés dans les spectrographes, mais aussi pour sélectionner la couleur d’émission des lasers.

A présent, l’équipe de Niels Quack, professeur boursier au sein de la faculté des Sciences et Techniques de l’Ingénieur, a trouvé le moyen de les fabriquer à partir d’un monocristal de diamant, ouvrant de nouvelles perspectives. Le diamant présente en effet une conductivité thermique sans équivalent – 5 à 10 fois supérieure à celle de tous les autres matériaux utilisés dans ce domaine -, une extrême dureté et la capacité de fonctionner aussi bien dans l’infra-rouge et le visible que dans le domaine des UV. « Le diamant est chimiquement inerte, il n’est donc pas attaqué par les substances chimiques les plus agressives, mais cela le rend en même temps très difficile à usiner », explique Niels Quack. «En cela, la nouvelle façon de structurer le diamant est intéressante. »

De l’oxygène pour tailler les diamants
La prouesse des chercheurs réside principalement dans la capacité de pouvoir tailler des motifs très spécifiques et sur une plaquette millimétrique en diamant monocristallin, espacés de quelques microns et comportant des surfaces incroyablement lisses. Pour cette recherche, les chercheurs ont utilisé des diamants créés artificiellement par dépôt chimique en phase vapeur.

La gravure se déroule en plusieurs étapes. On recouvre d’abord la surface de la plaquette de diamant d’un masque structuré, puis on expose le tout à un plasma d’oxygène. Dans le plasma, les ions d’oxygène sont accélérés en direction de la surface en diamant, à l’aide d’un champ électrique. Dans les zones dénuées de masque, les ions d’oxygène retirent un à un les atomes de carbone du diamant. «En jouant avec l’intensité du champ électrique, nous pouvons modifier la forme que nous souhaitons tailler dans le matériau», explique Niels Quack. «Pour fabriquer les réseaux optiques, nous avons créé des «tranchées» triangulaires, qui sont espacées de quelques microns. Nous ajustons le processus afin de faire apparaître de façon sélective une série de plans cristallographiques bien définis, creusant ainsi des formes en triangle, avec des surfaces extrêmement lisses, quasiment à l’échelle atomique. Ce résultat est impossible à obtenir si l’on taille simplement les diamants avec un laser.»

La nouvelle technique, développée grâce aux infrastructures du centre de MicroNanoTechnologie de l’EPFL (CMI), fait l’objet d’une demande de brevet. Le principe était déjà connu pour travailler le silicium, mais il n’avait encore jamais été démontré avec du diamant. Doctorant participant au projet, Marcell Kiss figure par ailleurs parmi les six finalistes du Young Scholar Award DCM2017, pour son apport important dans le cadre de cette recherche.

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EPFL Quack Group Q-LAB

Dans le cadre de ce projet, les chercheurs collaborent avec l’entreprise suisse LakeDiamond SA, qui est spécialisée dans la production de substrats en diamant monocristallins de haute pureté.

La recherche est financée par le Fonds National de la Recherche Scientifique (SNF), et le Gebert Rüf Stiftung.