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Univ. Paris-Saclay

Sujet de stage / Master 2 Internship

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Synthèse de particules de diamant monocristallines "à façon"

Spécialité : CHIMIE / Génie des procédés

Contact : ARNAULT Jean-Charles,
e-Mail : jean-charles.arnault@cea.fr,   Tel : +33 1 69 08 71 02
Laboratoire : NIMBE/LEDNA

Stage pouvant se poursuivre en thèse : Oui
Durée du stage : 0-6 mois
Date limite de constitution de dossier : 26/02/2022

Résumé :
Ce stage de recherche s'inscrit dans le cadre d'une étude qui vise à synthétiser des particules de diamant monocristallines « à façon » avec une approche en rupture, associant un lit fluidisé où seront stabilisés des germes de diamant et un plasma de croissance par dépôt chimique en phase vapeur activé par micro-ondes (MPCVD). Ceci permettra de faire croître ces germes par homoépitaxie, gage d'une qualité cristalline optimale, tout en maîtrisant la taille, la forme et le dopage des particules. Ces particules de diamant pourront être mises directement à profit pour les applications en énergie développées au LEDNA : la réduction du CO2 et la production d'hydrogène.

Sujet détaillé :
Les particules de diamant sont aujourd'hui fortement étudiées pour l'énergie, le quantique et la nanomédecine, domaines dans lesquels les propriétés recherchées sont directement liées à la qualité cristalline des particules. Pour ces applications, les particules utilisées sont majoritairement celles issues du broyage d'un matériau diamant massif. La pleine exploitation des particules de diamant nécessite à terme de contrôler finement leur morphologie, leur dispersion en taille et leur taux d'impuretés, ce qui n'est actuellement pas possible en passant par un broyage.

Ce stage de recherche s'inscrit dans le cadre d'une étude qui vise à synthétiser des particules de diamant monocristallines "à façon" avec une approche en rupture, associant un lit fluidisé où seront stabilisés des germes de diamant et un plasma de croissance par dépôt chimique en phase vapeur activé par micro-ondes (MPCVD). Ceci permettra de faire croître ces germes par homoépitaxie, gage d'une qualité cristalline optimale, tout en maîtrisant la taille, la forme et le dopage des particules. Ces particules de diamant pourront être mises directement à profit pour les applications en énergie développées au LEDNA : la réduction du CO2 et la production d'hydrogène.
L'enjeu du stage portera sur la réalisation d'un lit fluidisé de nanoparticules de diamant à l'intérieur d'un réacteur de croissance MPCVD tubulaire dédié à la croissance de diamant (déjà existant [1,2]). Des particules de diamant de diamètres allant de 5 à 50 nm seront les germes de croissance placés dans le lit fluidisé sur lesquels sera effectuée une reprise de croissance homoépitaxiale par MPCVD avec un mélange H2/CH4. Les travaux porteront sur la réalisation du système fluidique pour générer le lit fluidisé et son adaptation aux conditions de croissance de diamant (pression, puissance micro-ondes, quantité de germes). Les caractérisations morphologiques, chimiques et structurales des particules obtenues seront menées en interne au laboratoire qui est équipé d'un SEM-FEG, de spectromètres IR et RAMAN, d'une DLS/Zeta, etc.

Références
[1] Hydrogenation of nanodiamonds using MPCVD: A new route toward organic functionalization
H.A. Girard, J.C. Arnault, S. Perruchas, S. Saada, T. Gacoin, J.-P. Boilot, P. Bergonzo, Diam. Relat. Mater. 19 (2010) 1117.

[2] Colloidal suspensions of monodisperse diamond core-shells
A. Venerosy, H.A. Girard, S. Saada, M. Sennour, I. Stenger, M. Mermoux, J.C. Arnault, Diam. Relat. Mater. 89 (2018) 122.
Techniques utilisées au cours du stage :
MPCVD, SEM-FEG, spectromètres IR et RAMAN, DLS/Zeta

Mots clés : Procédés plasma et synthèse, techniques du vide, nanomatériaux, Caractérisations morphologiques, chimiques, structurales et coll

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