Carbone amorphe - Amorphous carbon
Le carbone amorphe est un carbone réactif libre qui n'a aucune structure cristalline . Les matériaux carbonés amorphes peuvent être stabilisés en terminant des liaisons π pendantes avec de l' hydrogène . Comme avec d'autres solides amorphes , un certain ordre à courte distance peut être observé. Le carbone amorphe est souvent abrégé en aC pour le carbone amorphe général, en aC: H ou HAC pour le carbone amorphe hydrogéné ou en ta-C pour le carbone amorphe tétraédrique (également appelé carbone de type diamant ).
En minéralogie
En minéralogie , le carbone amorphe est le nom utilisé pour le charbon , la suie , le carbone dérivé du carbure et d'autres formes impures de carbone qui ne sont ni graphite ni diamant. Dans un sens cristallographique , cependant, les matériaux ne sont pas vraiment amorphes mais plutôt des matériaux polycristallins de graphite ou de diamant dans une matrice de carbone amorphe . Le carbone commercial contient également généralement des quantités importantes d'autres éléments, qui peuvent également former des impuretés cristallines.
Dans la science moderne
Avec le développement des techniques modernes de dépôt et de croissance de couches minces dans la seconde moitié du 20e siècle, comme le dépôt chimique en phase vapeur , le dépôt par pulvérisation cathodique et le dépôt à l'arc cathodique , il est devenu possible de fabriquer des matériaux de carbone véritablement amorphes.
Le carbone amorphe véritable a des électrons π localisés (par opposition aux liaisons π aromatiques dans le graphite), et ses liaisons se forment avec des longueurs et des distances incompatibles avec tout autre allotrope de carbone . Il contient également une forte concentration de liaisons pendantes; ceux-ci provoquent des écarts d'espacement interatomique (mesurés par diffraction ) de plus de 5% ainsi qu'une variation notable de l'angle de liaison.
Les propriétés des films de carbone amorphe varient en fonction des paramètres utilisés lors du dépôt. Le principal procédé de caractérisation du carbone amorphe est le rapport des liaisons hybrides sp 2 à sp 3 présentes dans le matériau. Le graphite se compose uniquement de liaisons hybrides sp 2 , tandis que le diamant se compose uniquement de liaisons hybrides sp 3 . Les matériaux riches en liaisons hybrides sp 3 sont appelés carbone amorphe tétraédrique, en raison de la forme tétraédrique formée par les liaisons hybrides sp 3 , ou comme carbone de type diamant (en raison de la similitude de nombreuses propriétés physiques avec celles du diamant).
Expérimentalement, les rapports sp 2 à sp 3 peuvent être déterminés en comparant les intensités relatives de divers pics spectroscopiques (y compris la spectroscopie EELS , XPS et Raman ) à ceux attendus pour le graphite ou le diamant. Dans les travaux théoriques, les rapports sp 2 à sp 3 sont souvent obtenus en comptant le nombre d'atomes de carbone avec trois voisins liés par rapport à ceux avec quatre voisins liés. (Cette technique nécessite de décider d'une métrique quelque peu arbitraire pour déterminer si les atomes voisins sont considérés comme liés ou non, et est donc simplement utilisée comme une indication du rapport sp 2 -sp 3 relatif .)
Bien que la caractérisation des matériaux en carbone amorphe par le rapport sp 2 -sp 3 puisse sembler indiquer une gamme unidimensionnelle de propriétés entre le graphite et le diamant, ce n'est certainement pas le cas. Des recherches sont actuellement en cours sur les moyens de caractériser et d'élargir la gamme des propriétés offertes par les matériaux en carbone amorphe.
Toutes les formes pratiques de carbone hydrogéné (par exemple la fumée, la suie de cheminée, le charbon extrait comme le bitume et l'anthracite) contiennent de grandes quantités de goudrons d' hydrocarbures aromatiques polycycliques et sont donc presque certainement cancérigènes.
Q-carbone
Q-carbon , abréviation de carbone trempé, est un type de carbone amorphe, qui est rapporté par ses découvreurs comme étant ferromagnétique , électriquement conducteur , plus dur que le diamant et capable de présenter une supraconductivité à haute température . Les découvreurs originaux ont publié des articles scientifiques sur la synthèse et la caractérisation du carbone Q, mais en 2019, il n'y a pas encore de synthèse expérimentale indépendante ou de confirmation de ces propriétés rapportées.
Selon les chercheurs, le carbone Q présente une structure amorphe aléatoire qui est un mélange de liaisons 3 voies (sp 2 ) et 4 voies (sp 3 ) , plutôt que la liaison sp 3 uniforme trouvée dans les diamants. Le carbone est fondu à l'aide d'impulsions laser nanosecondes, puis trempé rapidement pour former du carbone Q, ou un mélange de carbone Q et de diamant. Le carbone Q peut prendre plusieurs formes, des nanoproches aux films de diamant à grande surface. Les chercheurs rapportent également la création de nanodiamants à vide d' azote .
Découverte
En 2015, un groupe de recherche dirigé par Jagdish Narayan , professeur de science et d'ingénierie des matériaux à la North Carolina State University , et un étudiant diplômé Anagh Bhaumik a annoncé la découverte du Q-carbone. Ils ont également annoncé la découverte du nitrure de bore Q (Q-BN) et la conversion du carbone en diamant et du h-BN en c-BN aux températures ambiantes et à la pression atmosphérique.
Le processus a commencé avec les articles de Narayan sur le recuit au laser , publiés dans Science , et a culminé en 2015-2016 avec une autre série d'articles et trois demandes de brevets aux États-Unis: 62 / 245,108 (2015); 62/202 202 (2015); et 62 / 331.217 (2016). Celles-ci ont été autorisées par Q-Carbon Inc pour commercialiser des produits à base de carbone Q, de diamant, de Q-BN et de c-BN.
Production
Typiquement, le diamant est formé en chauffant du carbone à des températures (> 5 000 K ) et des pressions (> 120 000 atmosphères ) très élevées . Cependant, Narayan et son groupe ont utilisé la cinétique et le contrôle du temps de la fusion laser nanoseconde pulsée pour surmonter les limitations thermodynamiques et créer un état de surfusion qui permet la conversion du carbone en carbone Q et en diamant aux températures et pressions ambiantes. Le processus utilise une impulsion laser de haute puissance, similaire à celle utilisée en chirurgie oculaire, d'une durée d'environ 200 nanosecondes. Cela élève la température du carbone à environ 4 000 K (3 700 ° C; 6 700 ° F) à la pression atmosphérique . Le liquide résultant est ensuite trempé (refroidi rapidement); c'est cette étape qui est la source du "Q" dans le nom du matériau. Le degré de surfusion en dessous de la température de fusion détermine la nouvelle phase du carbone, qu'il s'agisse de carbone Q ou de diamant. Des taux de refroidissement plus élevés donnent du carbone Q, alors que le diamant a tendance à se former lorsque l'énergie libre du liquide de carbone est égale à celle du diamant.
En utilisant cette technique, le diamant peut être dopé avec des dopants de type n et p , ce qui est essentiel pour l' électronique à semi-conducteurs de haute puissance . Pendant la croissance rapide des cristaux à partir de la fusion, les concentrations de dopant peuvent largement dépasser la limite de solubilité thermodynamique par un phénomène de piégeage de soluté. Ceci est nécessaire pour atteindre des concentrations de porteurs libres suffisamment élevées, car ces dopants ont tendance à être des donneurs profonds avec des énergies d'ionisation élevées .
Il n'a fallu que 15 minutes aux chercheurs pour fabriquer un carat de Q-carbone. La recherche initiale a créé du carbone Q à partir d'une fine plaque de saphir recouverte de carbone amorphe (non cristallin). D'autres études ont démontré que d'autres substrats , tels que le verre ou le polymère , fonctionnent également. Ce travail a ensuite été étendu pour convertir le h-BN en c-BN à phase pure.
Propriétés
Le carbone Q est non cristallin, et bien qu'il ait des liaisons mixtes sp 2 et sp 3 , il s'agit principalement de sp 3 , qui est proposé pour expliquer sa dureté et ses propriétés électriques, optiques et magnétiques. Le carbone Q est plus dur que le diamant de 48 à 70% parce que le carbone est métallique à l'état fondu et est étroitement compacté, avec une longueur de liaison inférieure à celle du diamant. Contrairement à toutes les autres formes connues de carbone, le carbone Q est ferromagnétique , avec une magnétisation à saturation de 20 emu / g et une température de Curie estimée à environ 500 K.
En fonction de la vitesse d'extinction à partir de l'état de surfusion, le carbone Q peut être un semi - conducteur ou un métal. Il brille plus que le diamant lorsqu'il est exposé même à de faibles niveaux de rayonnement énergétique en raison de sa plus forte affinité pour les électrons négatifs .
Le carbone Q dopé au bore présente une supraconductivité de type BCS jusqu'à 57K.
Certains groupes ont fourni des explications théoriques sur les propriétés rapportées du carbone Q, y compris la supraconductivité, le ferromagnétisme et la dureté records à haute température.