Procédé de Synthèse de diamant à partir du Graphite

Cet article décrit le procédé de Synthèse de micropoudres de diamant par gravure du graphite au micro-ondes
plasma d’hydrogène.

Principe

Les micro-poudres de diamant ont été synthétisées par dépôt chimique en phase vapeur par gravure d’un substrat de graphite dans un plasma micro-onde d’hydrogène, sans ajout d’hydrocarbure (méthane). La température du graphite, variant de 700 à 1000 ° C, s’est révélée avoir un pouvoir affectant significativement la nucléation et la croissance du diamant, le taux de croissance des particules de diamant augmentant de 2,4 à 4 μm / h avec la température. Les poudres de diamant avaient une meilleure qualité cristalline à la température du substrat de 900 ° C. En raison de la faible adhérence du grain déposé sur le substrat, les particules peuvent être collectées facilement et désagrégées mécaniquement. La taille moyenne de 12 μm des particules dispersées cultivées pendant 5 heures a été déterminée à l’aide d’un analyseur granulométrique laser, tandis que la taille maximale des grains estimée par microscopie électronique variait entre 12 et 20 μm. La surface de la particule présentait de nombreuses micropyramides avec des pointes acérées, ce qui pourrait être bénéfique pour les applications abrasives. La diffraction des rayons X et la spectroscopie Raman ont révélé une pureté et une qualité élevées des poudres de diamant.

Figure. Images SEM à faible grossissement (gauche) et grossissement plus élevé (droite) des poudres de diamant cultivées sur la feuille de graphite exposée au plasma d’hydrogène à 1000 ° C (c), (d)

Description du procédé

Les micropoudres de diamant sont largement utilisées dans de nombreux domaines, allant des machines utilisées dans l’industrie spatiale. Le polissage des céramiques, les alliages durs non ferreux, les matériaux composites sont essentiellement basés sur l’utilisation des poudres de diamant comme superabrasifs. Les méthodes de préparation des poudres de diamant comprennent la synthèse haute pression haute température (HPHT), la déposition chimique en phase vapeur (CVD) et la technique de détonation explosive.

Bien que la méthode HPHT constitue actuellement la principale technologie de production industrielle pour les poudres de diamant, la technique CVD permet le développement de poudres de diamant de haute pureté, des films et de gros cristaux. Dans le procédé CVD, un mélange méthane-hydrogène gazeux est dissocié soit thermiquement soit dans un plasma en radicaux, qui forment du diamant sur une surface de substrat chaude. Avec les exigences croissantes de morphologie et de pureté des poudres de diamant pour le broyage fin et la production de composites superdures, les poudres de diamant CVD ont suscité un grand intérêt en raison de la plus faible densité de défauts dans ce matériau.

Plusieurs groupes ont montré des poudres de diamant à facettes bien préparées avec une source de carbone gazeux. Teng et al.  ont démontré une amélioration significative de la structure du grain de diamant HPHT après le dépôt de diamant du revêtement CVD en utilisant un système CVD à filament chaud (HFCVD), avec l’intention d’éliminer les défauts de surface des particules de diamant. Chung et al. ont rapporté des micropoudres de diamant cultivées par HFCVD. Zhang et al. la poudre de diamant fabriquée avec la morphologie et la taille bien définies dans les mélanges de CH4 / H2 avec un réacteur de HFCVD, où les diamants synthétiques de HPHT ont été utilisés comme graines de diamant. Beaucoup plus rarement un précurseur de carbone à l’état solide est employé dans la croissance de diamant CVD.

Spitsyn et al.  utilisaient systématiquement du graphite exposé à l’hydrogène à haute température, pour produire des hydrocarbures transportés plus loin vers un substrat afin de déposer des films de diamant. Silva et al. ont utilisé une plaque de graphite comme source de carbone pour synthétiser un film de diamant sur un substrat de Si dans un système HFCVD, utilisant des graines de diamant pour augmenter la vitesse de nucléation du diamant et former un film plutôt que des particules isolées. Puisque la nucléation spontanée du diamant est difficile sur tout substrat étranger, la procédure d’ensemencement est obligatoire pour obtenir un film de diamant microcristallin continu.

Shin et al. ont rapporté un taux de croissance élevé dans le système HFCVD dans un gaz sans addition de méthane, en utilisant uniquement un précurseur de carbone graphite gravé par l’hydrogène. D’un autre côté, Li et al. ont étudié la nucléation spontanée du diamant sur un substrat de graphite en utilisant un système HFCVD et un gaz source CH4 – H2. Ils ont trouvé la préférence pour la nucléation des bords de la feuille de graphite, comme cela a été soutenu par une considération théorique. Nous rapportons ici une approche combinée en utilisant une feuille de graphite polycristallin comme source de carbone et le substrat, pour produire des poudres de micro-diamant par CVD plasma micro-ondes (MPCVD) en utilisant l’hydrogène comme seul gaz d’alimentation. Les particules de diamant isolées sont déposées sur le substrat à la suite du graphite gravé par le plasma d’hydrogène. Nous avons étudié l’effet de la température de croissance sur la morphologie et la pureté des poudres de diamant produites.

Le système H2 / graphite pourrait être un moyen rentable et facile de faire pousser du diamant de haute qualité.

Source : Science Direct  Diamond micropowder synthesis via graphite etching in a microwave hydrogen plasma.




Rayons Atomiques (Données)

Le rayon atomique d’un élément chimique est la distance entre le centre du noyau et la couche la plus externe de l’électron. Puisque la frontière n’est pas une entité physique bien définie, il existe diverses définitions non équivalentes du rayon atomique. Selon la définition, le terme peut s’appliquer seulement aux atomes isolés, ou aussi aux atomes dans la matière condensée , liés de manière covalente dans les molécules , ou dans les états ionisés et excités ; et sa valeur peut être obtenue par des mesures expérimentales ou calculées à partir de modèles théoriques. Sous certaines définitions, la valeur du rayon peut dépendre de l’état et du contexte de l’atome.

Les rayons atomiques varient d’une manière prévisible et explicable à travers le tableau périodique . Par exemple, les rayons diminuent généralement vers la droite le long de chaque période (rangée) de la table, des métaux alcalins aux gaz nobles ; et augmentent pour chaque groupe (colonne). Le rayon augmente brusquement entre le gaz noble à la fin de chaque période et le métal alcalin au début de la période suivante. Ces tendances des rayons atomiques (et de diverses autres propriétés chimiques et physiques des éléments) peuvent être expliquées par la théorie de la couche d’ électrons de l’atome; ils ont fourni des preuves importantes pour le développement et la confirmation de la théorie quantique .

Rayons atomiques

Toutes les mesures données sont en picomètres (pm). Pour des données plus récentes sur les rayons covalents.

numéro atomique symbole prénom empirique † Calculé van der Waals Covalent (liaison simple) Covalent (triple liaison) Métallique
1 H hydrogène 25 53 120 38 pas de données
2 Il hélium 120 31 140 32 pas de données
3 Li lithium 145 167 182 134 pas de données 152
4 Être béryllium 105 112 153 a 90 85 112
5 B bore 85 87 192 a 82 73
6 C carbone 70 67 170 77 60
7 N azote 65 56 155 75 54
8 O oxygène 60 48 152 73 53
9 F fluor 50 42 147 71 53
dix Ne néon 160 38 154 69 pas de données
11 N / a sodium 180 190 227 154 pas de données 186
12 Mg magnésium 150 145 173 130 127 160
13 Al aluminium 125 118 184 a 118 111 143
14 Si silicium 110 111 210 111 102
15 P phosphore 100 98 180 106 94
16 S soufre 100 88 180 102 95
17 Cl chlore 100 79 175 99 93
18 Ar argon 71 71 188 97 96
19 K potassium 220 243 275 196 pas de données 227
20 Californie calcium 180 194 231 a 174 133 197
21 Sc scandium 160 184 211 a 144 114 162 b
22 Ti titane 140 176 pas de données 136 108 147
23 V vanadium 135 171 pas de données 125 106 134 b
24 Cr chrome 140 166 pas de données 127 103 128 b
25 Mn manganèse 140 161 pas de données 139 103 127 b
26 Fe le fer 140 156 pas de données 125 102 126 b
27 Co cobalt 135 152 pas de données 126 96 125 b
28 Ni nickel 135 149 163 121 101 124 b
29 Cu cuivre 135 145 140 138 120 128 b
30 Zn zinc 135 142 139 131 pas de données 134 b
31 Géorgie gallium 130 136 187 126 121 135 c
32 Ge germanium 125 125 211 a 122 114
33 Comme arsenic 115 114 185 119 106
34 Se sélénium 115 103 190 116 107
35 Br brome 115 94 185 114 110
36 Kr krypton pas de données 88 202 110 108
37 Rb rubidium 235 265 303 a 211 pas de données 248
38 Sr strontium 200 219 249 a 192 139 215
39 Y yttrium 180 212 pas de données 162 124 180 b
40 Zr zirconium 155 206 pas de données 148 121 160
41 Nb niobium 145 198 pas de données 137 116 146 b
42 Mo molybdène 145 190 pas de données 145 113 139 b
43 Tc technétium 135 183 pas de données 156 110 136 b
44 Ru ruthénium 130 178 pas de données 126 103 134 b
45 Rh rhodium 135 173 pas de données 135 106 134 b
46 Pd palladium 140 169 163 131 112 137 b
47 Ag argent 160 165 172 153 137 144 b
48 CD cadmium 155 161 158 148 pas de données 151 b
49 Dans indium 155 156 193 144 146 167
50 Sn étain 145 145 217 141 132
51 Sb antimoine 145 133 206 a 138 127
52 Te tellure 140 123 206 135 121
53 je iode 140 115 198 133 125
54 Xe xénon pas de données 108 216 130 122
55 Cs césium 260 298 343 a 225 pas de données 265
56 Ba baryum 215 253 268 a 198 149 222
57 La lanthane 195 pas de données pas de données 169 139 187 b
58 Ce cérium 185 pas de données pas de données pas de données 131 181,8 c
59 Pr praséodyme 185 247 pas de données pas de données 128 182,4 c
60 Nd néodyme 185 206 pas de données pas de données pas de données 181,4 c
61 Pm prométhium 185 205 pas de données pas de données pas de données 183,4 c
62 Sm samarium 185 238 pas de données pas de données pas de données 180,4 c
63 UE europium 185 231 pas de données pas de données pas de données 180,4 c
64 Gd gadolinium 180 233 pas de données pas de données 132 180,4 c
65 Tb terbium 175 225 pas de données pas de données pas de données 177,3 c
66 Dy dysprosium 175 228 pas de données pas de données pas de données 178,1 c
67 Ho holmium 175 pas de données pas de données pas de données pas de données 176,2 c
68 Er erbium 175 226 pas de données pas de données pas de données 176,1 c
69 Tm thulium 175 222 pas de données pas de données pas de données 175,9 c
70 Yb ytterbium 175 222 pas de données pas de données pas de données 176 c
71 Lu lutécium 175 217 pas de données 160 131 173,8 c
72 Hf hafnium 155 208 pas de données 150 122 159
73 Ta tantale 145 200 pas de données 138 119 146 b
74 W tungstène 135 193 pas de données 146 115 139 b
75 rhénium 135 188 pas de données 159 110 137 b
76 Os osmium 130 185 pas de données 128 109 135 b
77 Ir iridium 135 180 pas de données 137 107 135.5 b
78 Pt platine 135 177 175 128 110 138.5 b
79 Au or 135 174 166 144 123 144 b
80 Hg Mercure 150 171 155 149 pas de données 151 b
81 Tl thallium 190 156 196 148 150 170
82 Pb conduire 180 154 202 147 137
83 Bi bismuth 160 143 207 a 146 135
84 Po polonium 190 135 197 a pas de données 129
85 À astatine pas de données pas de données 202 a pas de données 138
86 Rn radon pas de données 120 220 a 145 133
87 Fr francium pas de données pas de données 348 a pas de données pas de données pas de données
88 Ra radium 215 pas de données 283 a pas de données 159 pas de données
89 Ac actinium 195 pas de données pas de données pas de données 140
90 Th thorium 180 pas de données pas de données pas de données 136 179 b
91 Pennsylvanie protactinium 180 pas de données pas de données pas de données 129 163 d
92 U uranium 175 pas de données 186 pas de données 118 156 e
93 Np neptunium 175 pas de données pas de données pas de données 116 155 e
94 Pu plutonium 175 pas de données pas de données pas de données pas de données 159 e
95 Un m l’américium 175 pas de données pas de données pas de données pas de données 173 b
96 Cm curium pas de données pas de données pas de données pas de données pas de données 174 b
97 Bk berkelium pas de données pas de données pas de données pas de données pas de données 170 b
98 Cf californium pas de données pas de données pas de données pas de données pas de données 186 +/- 2 b
99 Es Einsteinium pas de données pas de données pas de données pas de données pas de données 186 +/- 2 b
100 Fm fermium pas de données pas de données pas de données pas de données pas de données pas de données
101 Maryland mendelevium pas de données pas de données pas de données pas de données pas de données pas de données
102 Non nobelium pas de données pas de données pas de données pas de données pas de données pas de données
103 Lr lawrencium pas de données pas de données pas de données pas de données pas de données pas de données
104 Rf rutherfordium pas de données pas de données pas de données pas de données 131 pas de données
105 Db dubnium pas de données pas de données pas de données pas de données 126 pas de données
106 Sg seaborgium pas de données pas de données pas de données pas de données 121 pas de données
107 Bh bohrium pas de données pas de données pas de données pas de données 119 pas de données
108 Hs hassium pas de données pas de données pas de données pas de données 118 pas de données
109 Mt meitnerium pas de données pas de données pas de données pas de données 113 pas de données
110 Ds darmstadtium pas de données pas de données pas de données pas de données 112 pas de données
111 Rg Roentgenium pas de données pas de données pas de données pas de données 118 pas de données
112 Cn copernicium pas de données pas de données pas de données pas de données 130 pas de données
113 Nh nihonium pas de données pas de données pas de données pas de données pas de données pas de données
114 Fl flerovium pas de données pas de données pas de données pas de données pas de données pas de données
115 Mc Moscovium pas de données pas de données pas de données pas de données pas de données pas de données
116 Lv livermorium pas de données pas de données pas de données pas de données pas de données pas de données
117 Ts tennessine pas de données pas de données pas de données pas de données pas de données pas de données
118 Og oganesson pas de données pas de données pas de données pas de données pas de données pas de données



L’effet Meissner (magnétisme et les supraconducteurs)

L’effet Meissner est l’expulsion d’un champ magnétique d’un supraconducteur au cours de sa transition vers l’état supraconducteur. Les physiciens allemands Walther Meissner et Robert Ochsenfeld ont découvert ce phénomène en 1933 par la mesure de la distribution du champ magnétique à l’extérieur supraconducteur d’étain et des échantillons de plomb <fn>Meissner, W;. R. Ochsenfeld (1933). « Ein neuer Effekt bei der Eintritt Supraleitfähigkeit » .Naturwissenschaften . 21 (44) :. 787-788 </fn>.  Les échantillons, en présence d’un champ magnétique appliqué, ont été refroidis en dessous de leur température de transition supraconductrice. A une temprérature Inférieure à la température de transition, les échantillons excluent presque tous les champs magnétiques intérieurs. Ils ont détecté cet effet que de manière indirecte, car le flux magnétique est conservée par un supraconducteur: lorsque le champ intérieur diminue, le champ extérieur augment. L’expérience a démontré pour la première fois que les supraconducteurs étaient plus que des conducteurs parfaits et ont fourni une propriété unique qui définit l’état supraconducteur.

Le diamagnétisme parfait

Supraconducteurs dans l’état Meissner présentent un diamagnétisme parfait, ou superdiamagnétisme, ce qui signifie que le champ magnétique total est très proche de zéro au fond d’eux (beaucoup de profondeurs de pénétration à la surface). Cela signifie que leur susceptibilité magnétique, Les  Diamagnétiques sont définis par la génération d’une aimantation spontanée d’un matériau qui s’oppose directement à la direction d’un champ appliqué. Cependant, les origines fondamentales du diamagnétisme dans les supraconducteurs et les matériaux normaux sont très différents. Dans les matériaux normaux, le diamagnétisme se présente comme une conséquence directe de la rotation orbitale des électrons sur les noyaux d’un atome induite électromagnétiquement par l’application d’un champ magnétique. Dans superconducteurs le conecept du diamagnétisme parfait provient de courants de dépistage persistants qui s’opposent au champ appliqué (effet Meissner); pas seulement le spin de l’orbital.

 




Les ondes acoustiques déplacent les fluides à l’échelle nanométrique

Une équipe d’ingénieurs spécialisés en mécanique des fluides a utilisé avec succès des ondes acoustiques pour déplacer des fluides à travers de petits canaux à l’échelle nanométrique. La percée est une première étape vers la fabrication de petits appareils portables qui pourraient être utilisés pour la découverte de nouvelles substances d’intérêt thérapeutique et les applications de microrobotiques. Les dispositifs pourraient être intégrés dans un laboratoire sur une puce pour trier des cellules, déplacer des liquides, manipuler des particules et détecter d’autres composants biologiques. Par exemple, il pourrait être utilisé pour filtrer un large éventail de particules, telles que des bactéries, pour effectuer un diagnostic rapide.

Les chercheurs détaillent leurs conclusions dans le numéro du 14 Novembre de la revue « Advanced Functional Materials ». C’est la première fois que des ondes acoustiques sont utilisées à l’échelle nanométrique.

La nanofluidique

Le domaine de la nanofluidique étudie les mouvements d’un fluide à travers canaux qui sont 1000 fois plus petit que la largeur d’un cheveu, a déclaré James Friend, professeur et expert en sciences des matériaux à l’école Jacobs de l’ingénierie à UC San Diego. Les méthodes actuelles exigent un équipement volumineux et coûteux ainsi que des températures trop élevées. Le déplacement d’un fluide dans un canal de quelques nanomètres de hauteur nécessite des pressions allant jusqu’à 1 mégaPascal, ou l’équivalent de 10 atmosphères.

Les chercheurs supervisés par Friend avaient essayé d’utiliser des ondes acoustiques pour déplacer les fluides à l’échelle nanométrique pendant plusieurs années. Ils voulaient également faire cela avec un dispositif qui pourrait être fabriqué à température ambiante.

Après une année d’expérimentation, le chercheur post-doctoral Morteza Miansari, maintenant à Stanford, a pu construire un dispositif en niobate de lithium avec des canaux à l’échelle nanométrique où les fluides peuvent être déplacés par des ondes acoustiques de surface. Cela a été rendu possible par une nouvelle méthode Miansari développé pour lier le matériau à lui-même à température ambiante. La méthode de fabrication peut être facilement mise au point, ce qui permettrait de réduire les coûts de fabrication. La construction d’un appareil coûterait $1000,  mais la construction de 100 000 permettrait de réduire le prix à $1 chacun.

Le dispositif est compatible avec les matériaux biologiques, les cellules et les molécules.

Les chercheurs ont utilisé des ondes acoustiques avec une fréquence de 20 mégahertz pour manipuler des fluides, des gouttelettes et des particules dans des nanoslits de 50 à 250 nanomètres de hauteur. Pour remplir les canaux, les chercheurs ont appliqué les ondes acoustiques dans la même direction que le fluide se déplaçant dans les canaux. Pour drainer les canaux, les ondes sonores ont été appliquées dans la direction opposée.

En modifiant la hauteur des canaux, le dispositif pourrait être utilisé pour filtrer une large gamme de particules, jusqu’à de grandes biomolécules telles que ARNsi, qui ne rentreraient pas dans les fentes. Essentiellement, les ondes acoustiques entraîneraient des fluides contenant les particules dans ces canaux. Mais pendant que le fluide passerait, les particules seraient laissées en arrière et formeraient une masse sèche. Cela pourrait être utilisé pour un diagnostic rapide sur le terrain.