Les scientifiques regardent profondément dans un diamant pour examiner ses défauts

Les scientifiques regardent profondément dans un diamant pour examiner ses défauts

Crédit: Wits University Les chercheurs jettent un coup d’œil dans un diamant pour voir comment les atomes de ses défauts plaquettaires sont disposés dans le matériau naturel le plus dur connu de l’homme.
Une équipe multinationale de chercheurs, y compris un scientifique de l’Université Wits, a examiné de près un diamant pour voir comment atomes dans son plaquette les défauts sont disposés dans le matériau naturel le plus dur connu de l’homme.
En utilisant deux procédés, à savoir la microscopie électronique à transmission et la spectroscopie de perte d’énergie électronique, les scientifiques ont sondé la disposition spatiale des atomes de carbone et d’azote formant le noyau des défauts. La nature des liaisons entre les atomes a également été déterminée.
Comme les vides et les inclusions, les plaquettes sont appelées «défauts» ou imperfections diamants . Où le atomes de carbone dans les diamants sont en parfait arrangement périodique, une plaquette défaut perturbe l’arrangement périodique des atomes de carbone, ce qui entraîne un défaut qui ressemble à une minuscule ligne droite à l’intérieur de la pierre précieuse lors de l’imagerie d’un microscope électronique le long d’une direction spécifique dans le cristal de diamant.
La recherche sur la nature des défauts dans un diamant a été pendant plusieurs décennies, mais la percée est venue quand un microscope électronique de transmission aberration corrigé de microscopie électronique de transmission au Centre pour la microscopie à haute résolution à l’Université Nelson Mandela a été utilisé pour l’image et l’analyse défauts. Le microscope a été opéré en mode microscopie électronique à transmission (STEM), en utilisant un détecteur de champ sombre annulaire à angle élevé avec imagerie par spectre d’énergie électronique (EEL), explique le professeur Mervin Naidoo de la Wits School of Physics. Un article sur le travail de l’équipe qui comprenait des scientifiques de l’Université Nelson Mandela, de la Free State University, de l’Université d’Oxford au Royaume-Uni et de l’Institut Max Planck en Allemagne, a été récemment publié dans la revue, Matériaux de la nature .
Des sections de diamant mince pour l’analyse STEM ont été préparées en utilisant un faisceau d’ions focalisé (FIB) pour couper des sections de 5 x 10 microns avec une épaisseur d’environ 20 à 50 nanomètres (nm est un milliardième de mètre). Les sections ont ensuite été étudiées dans un microscope électronique à résolution atomique en passant un faisceau focalisé d’électrons avec une énergie bien définie à travers la section de diamant mince. Le modèle d’interférence formé par les “ondes” électroniques après avoir traversé une fine section de diamant génère une image de l’arrangement spatial des atomes de carbone dans le cristal de diamant ainsi que les atomes de carbone et d’azote dans le défaut plaquettaire. Les données correspondantes sur la perte d’énergie des électrons fournissent des informations sur la composition chimique de la plaquette et la nature des liaisons chimiques entre les atomes.

“En juxtaposant ces images les unes aux autres, nous avons pu créer une image unique de la plaquette”, explique Naidoo.
Alors que de nombreux modèles théoriques de l’arrangement atomique des atomes dans les plaquettes ont été proposés dans le passé, l’étude actuelle a été la première à réussir à imager les positions atomiques exactes des plaquettes et à les faire correspondre à l’un des modèles théoriques proposés précédemment.
Les atomes de carbone dans un diamant sont disposés dans un treillis périodique en trois dimensions. Le défaut plaquettaire interrompt l’arrangement périodique des atomes en introduisant un type de défaut planaire étendu, contenant principalement du carbone et quelques atomes d’azote. Les atomes dans la plaquette sont agencés en zigzag en ordre de paires de défauts le long de la ligne de défaut.
«Les diamants sont des messagers de la mer. La connaissance de la structure et de la composition d’un défaut plaquettaire pourrait nous dire comment les diamants se forment dans la Terre et quels processus sont impliqués dans leur formation», explique Naidoo. En d’autres termes, les connaissances actuelles permettent maintenant aux chercheurs de formuler un modèle dynamique des interactions possibles entre les défauts ponctuels qui ont finalement formé cette structure plaquettaire. ”
Les plaquettes peuvent également maintenant être produites dans des diamants synthétiques, ce qui permettrait aux scientifiques de comparer la nature des plaquettes dans les diamants naturels à leurs homologues synthétiques.
Ces résultats ont également révélé que les plaquettes ne sont pas constituées uniquement d’atomes d’azote, mais ont montré que les plaquettes contiennent de l’azote et que atomes d’azote jouent probablement un rôle dans la cinétique de formation des plaquettes.
«Nous avons découvert un mystère: nous avons répondu par des techniques d’imagerie électronique à résolution atomique à la question de l’arrangement atomique des atomes dans les défauts plaquettaires du diamant, ouvre d’autres voies de recherche passionnantes», explique Naidoo. “Ce n’est pas la fin de l’histoire.”

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Plus d’information: E. J. Olivier et al. Imagerie de la structure atomique et de la chimie locale des plaquettes dans le diamant naturel de type Ia, Matériaux de la nature (2018). DOI: 10.1038 / s41563-018-0024-6

Référence du journal:
Matériaux de la nature

Fourni par:
Université Wits

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