Développement d’un procédé de synthèse par plasma CVD de particules cœur/coquille en diamant dopé bore et caractérisations avancées – COCONUT

Le Diamant Dopé au Bore (DDB) est un matériau d'exception pour l'électrochimie, l'électrocatalyse, la photocatalyse ou la réalisation d'implants. Semiconducteur à grand gap avec un comportement quasi-métallique à fort dopage, résilient aux attaques chimique, bioinerte, ce matériau réunit de nombreux atouts. Parmi toutes ces applications, le DDB est maintenant particulièrement étudié pour la réduction du CO2 en composés carbonés valorisables au travers de deux approches complémentaires : (i) par voie purement électrochimique et (ii) par photo-électrochimie via la production d'éléctrons solvatés. Dans les deux cas, le DDB possède des propriétés uniques, liées à son diagramme énergétique et inatteignables par d'autres types de semi-conducteurs, qui lui ouvre pour ces prochaines années des possibilités de développement exceptionnelles dans le domaine de l'énergie.
L'obtention d'objets nano ou sub-micrométriques fait de DDB serait alors une formidable avancée pour ces applications, afin (i) d'augmenter la surface développée des électrodes, mais aussi de (ii) s'affranchir des contraintes en taille inhérentes à la synthèse du DDV par dépôt chimique en phase vapeur, limité à des échantillons de quelques pouces de diamètre. Cependant, aujourd'hui, l'état de l'art de la synthèse de particules de DDB consiste majoritairement à broyer du film CVD massif en de fines particules. Si ces particules sont de bonne qualité structurelle, cette technique est très couteuse en temps, difficile à réaliser et limitée en volume de production. Dans le projet LITCHI, nous propose une approche en rupture, basée sur la synthèse de particules coeur-coquille monodisperses et sphériques, utilisant un coeur de silice sphérique et une coquille faite de DDB de quelques dizaines de nanomètres. Nous allons développer une technologie CVD innovante, dédiée au recouvrement avec du DDB de ces particules, capable de traiter de large volumes (> 100 mg/h). En utilisant cette technique, l'étape de broyage est évitée et les particules de DDB obtenues seront parfaitement sphériques et monodisperses, avec un diamètres ajustable grâce au coeur de silice. Nous envisageons ainsi de fournir de façon sûre et reproductible la communauté diamant en particules de DDB, qui pourront être ensuite mises en suspension, leur sphéricité leur ouvrant les portes à toutes les techniques d’auto-assemblage pour la réalisation de structure 2D ou 3D (opales). Les objectifs du projet sont de (i) dessiner et développer un réacteur à fort rendement de synthèse de coeur-coquille diamant dopé bore utilisant une technologie qui pourra être transférée industriellement qui assurera une revêtement diamant uniforme et reproductible, (ii) qualifier la qualité structurelle des particules synthétisées par un panel de techniques de pointes dans le domaine des coeur-coquille et du diamant, et (iii) d’évaluer leurs propriétés électrochimiques et photochimiques avant (iv) d'évaluer les performances des coeurs-coquilles en DDB pour la réduction du CO2. Le premier enjeu scientifique du projet, qui dirigera la majeure partie des travaux, concernera la qualité des coquilles en diamant dopé bore qui seront réalisées sur les coeurs de silice. C’est pourquoi le projet réuni des expertises internationalement reconnues dans les domaines de l’analyse physico-chimique (GEMAC), de l’imagerie électronique (ONERA), des techniques dédiées au nano-objets (ILV-CEFS2), de l'électrochimie (ILV-EPI), etc. Le deuxième enjeu du projet concerne le développement du réacteur de synthèse, qui devra dès le début être pensé pour être implémenté et transférable industriellement. L’atout ici de LITCHI est de réunir dans son consortium un industriel capable de développer à façon des sources micro-ondes (SAIREM) et un laboratoire qui a déjà 15 années d’expérience dans le développement de systèmes CVD pour la croissance du diamant (CEA LIST).