Les nanoparticules de diamant possèdent des propriétés chimiques, électroniques, thermiques et optiques exceptionnelles. Elles sont utilisées actuellement dans les domaines de la nano-médecine, de l’énergie, des technologies quantiques, des lubrifiants et des composites avancés [1-3]. Pour la majeure partie de ces applications, la qualité cristalline du cœur diamant est essentielle et les particules les plus étudiées sont issues de diamant massif broyé. Cependant, ces particules présentent une forte dispersion de taille, une anisotropie de forme et des concentrations d’impuretés variables. Ces aspects influent beaucoup sur leurs propriétés. Il y a donc une nécessité de mettre au point une méthode de synthèse de nanodiamants de haute qualité cristalline qui garantisse un contrôle plus fin de leur taille, de leur morphologie et de leur niveau d’impuretés.

Ce sujet de thèse se propose d’étudier la synthèse de nanodiamants par une approche bottom-up utilisant un template sacrificiel (billes ou fibres de silice) sur lequel des germes de diamant nanométriques seront fixés par interaction électrostatique. La croissance des particules de diamant sera réalisée en exposant ces objets à un plasma de croissance de dépôt chimique en phase vapeur activé par micro-ondes (MPCVD). Le dispositif de croissance de dépôt sur billes existe déjà au CEA NIMBE, il est actuellement utilisé pour la synthèse de cœur-coquilles de diamant [4]. Les paramètres de croissance seront ajustés pour sélectionner la taille, la forme et la concentration d’impuretés (azote, bore) dans les nanodiamants. Après croissance, les nanoparticules seront collectées après dissolution du template. Leur structure cristalline, leur morphologie et leur chimie de surface seront étudiées au CEA NIMBE par microscopie électronique à balayage, par diffraction des rayons X et par spectroscopies Raman, infrarouge et de photoélectrons (XPS). Une collaboration extérieure permettra de réaliser une analyse fine de la structure cristallographique et des défauts structuraux par microscopie électronique en transmission à haute résolution (HR-TEM).

Au cours de cette thèse, plusieurs types de nanodiamants seront synthétisés : tout d’abord des nanoparticules intrinsèques (sans dopage intentionnel) ensuite des nanoparticules dopées au bore. Ces deux types de particules seront ensuite modifiées en surface pour leur conférer une stabilité colloïdale. Leurs performances pour la photocatalyse seront mesurées en collaboration avec l’ICPEES de Strasbourg. Cette méthode de synthèse originale pourra aussi permettre de créer des centres colorés (azote-lacune NV ou silicium-lacune SiV) dans les nanoparticules de diamant pour exploiter leurs propriétés optiques (collaboration à initier).

Références :

[1] N. Nunn, M. Torelli, G. McGuire, O. Shenderova, Current Opinion in Solid State and Materials Science, 21 (2017) 1-9.

[2] Y. Wu, F. Jelezko, M. Plenio,T. Weil, Angew. Chem. Int. Ed. 55 (2016) 6586–6598.

[3] H. Wang, Y. Cui, Energy Applications 1 (2019) 13-18.

[4] A. Venerosy et al., Diam. Relat. Mater. 89 (2018) 122-131.