La structure cristalline unique des diamants, qui leur confère une résistance exceptionnelle aux tensions électriques et une dissipation optimale de la chaleur, en fait des matériaux prisés dans le domaine de l’électronique. Des recherches récentes ont abouti à une prouesse longtemps jugée irréalisable : leur intégration dans des puces en silicium sans compromettre les propriétés intrinsèques des diamants. Selon une étude parue dans Diamond and Related Materials, ce progrès pourrait transformer l’industrie de la microélectronique au silicium et favoriser l’essor de l’informatique quantique.
L’utilisation de diamants synthétiques dans les circuits en silicium a longtemps buté sur des obstacles techniques majeurs. La différence entre la structure cristalline du diamant et celle du silicium représente une première difficulté, introduisant des défauts susceptibles de dégrader les performances électroniques des dispositifs. Par ailleurs, la production de diamants synthétiques repose souvent sur des procédés HPHT (haute pression et haute température), incompatibles avec la fabrication des puces silicium, qui requiert des conditions thermiques plus modérées.
Bien qu’il soit possible de produire des diamants synthétiques entre 700 et 1200 °C via un procédé de dépôt chimique en phase vapeur activé par plasma, des expérimentations antérieures ont montré que cette méthode pouvait engendrer la formation de suie. Ce résidu altère les propriétés des diamants, réduisant leur efficacité dans les applications électroniques, optiques et de détection.
Une percée permise par la conservation d’une température critique
Une équipe dirigée par Yuri Barsukov du Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) a surmonté ces défis. D’après Barsukov, le processus s’apparente à la cristallisation de l’eau en glace : une « température critique » joue un rôle déterminant. Dans un communiqué, il explique : « Si nous voulons intégrer le diamant dans les dispositifs silicium, nous devons maîtriser sa croissance à basse température ». « Au-dessus de cette température critique, l’acétylène favorise la croissance du diamant. En dessous, il génère principalement de la suie », précise-t-il.
L’équipe a démontré que la concentration d’acétylène et d’hydrogène est fondamentale. Bien que l’hydrogène ne participe pas directement à la croissance des diamants, il joue un rôle catalyseur à des températures plus basses, ce qui améliore la qualité des diamants produits. La maîtrise de cette phase du processus joue un rôle clé pour leur intégration dans l’électronique avancée. Toutefois, dans l’informatique quantique, les défis restent plus complexes, nécessitant des diamants d’une pureté et d’une structure spécifiques.
Diamants et informatique quantique : une alliance prometteuse ?
Les propriétés des diamants en font un matériau privilégié pour l’informatique quantique et les communications sécurisées. Une autre étude, menée par des chercheurs du PPPL, de l’Université de Princeton et de l’Institut royal de technologie de Melbourne, a exploré l’amélioration des diamants synthétiques destinés aux qubits et à la détection de précision. Publiée en juillet 2024 dans Advanced Materials Interfaces, cette recherche s’est concentrée sur la protection des diamants quantiques, une forme spécialisée où certains atomes de carbone sont remplacés par de l’azote, formant des centres azote-lacune.
Ces centres sont essentiels pour exploiter les propriétés quantiques du diamant, mais leur préservation reste délicate. Les chercheurs ont développé deux méthodes pour y parvenir : le « recuit au gaz de formation » (un mélange d’hydrogène et d’azote favorisant la stabilisation des défauts) et la « terminaison par plasma froid ». Ces techniques visent à déposer une couche d’hydrogène protectrice sans affecter la structure sous-jacente des centres.
La prochaine étape, selon les chercheurs, consiste à affiner ces méthodes pour produire des surfaces de diamant hydrogénées parfaitement adaptées aux applications électroniques avancées, tout en maintenant les centres azote-lacune. Ces progrès pourraient ouvrir la voie à des technologies informatiques de nouvelle génération, associant efficacité énergétique et performance.