Desgevraagd: Diamanten kweken in magnetron

“Het is vooral de vraag wat voor diamant je wilt hebben”, nuanceert prof.dr. Guido Janssen van de sectie surfaces and interfaces (Werktuigbouwkunde, Maritieme Techniek en Technische Materiaalwetenschappen) de vraag. Voor industriële toepassingen zijn zogenaamde poly-kristallijne diamanten goed genoeg – dat zijn samengroeiïngen van verschillende kleine diamanten. “Maar voor elektronische toepassingen, zoals hoogvermogenschakelaars zijn alleen één-kristaldiamanten geschikt. Hierbij bestaat de diamant uit één continu kristalrooster.”
Zulke monokristallijne diamanten groeien op een matrix van een natuurlijke diamant. Een dun plakje van een diamant dient als een soort atomaire eierdoos waar koolstofatomen makkelijk op de juiste plaats in landen. “Als je een zevenhonderd graden heet mengsel van waterstof en aardgas hebt, groeit een éénkristallijne diamant geordend aan. Dat proces staat bekend als epitaxiale groei, en dat is ook door de Amerikanen toegepast.”
Materiaalkundige prof.dr. Barend Thijsse (3mE) herinnert zich desgevraagd dat bij collega’s in Nijmegen destijds ook synthetische diamanten groeiden. Alleen ging dat daar niet om éénkristallijn materiaal.
Volgens het NRC-artikel zijn vooral de groeisnelheid en de kristalzuiverheid van de Amerikaanse onderzoekers opvallend. De kristallen groeien met 150 micrometer per uur tien tot honderd keer sneller dan bij concurrerende groepen.
Janssen vindt vooral het ‘uitgloeien’ van de diamanten een intrigerend proces. Dat is een manier om de bruinachtige gegroeide diamanten zuiver en kristalhelder te maken. Na de groei verhitten de onderzoekers de diamant in een magnetron tot tweeduizend graden Celsius. Het risico van die verhitting is dat de diamant verandert in waardeloos grafiet.
“Het verschil tussen diamant en grafiet is thermodynamisch gezien heel klein”, zegt Thijsse. “Diamant is bij normale temperatuur en druk energetisch een iets onvoordeliger kristalvorm dan grafiet. Bij diamant wil ieder koolstofatoom zich in alle richtingen omringen met andere koolstofatomen. Bij grafiet omringt een koolstofatoom zich met zes andere atomen die allemaal in hetzelfde vlak liggen. De binding tussen de lagen is heel gering – dat is ook de reden waarom grafiet zo goed als potlood werkt en als smeermiddel.”
Om te voorkomen dat de diamant ‘verbrandt’, vindt het uitgloeien doorgaans plaats onder hoge druk. De groep van Yu-fei Ming gebruikt geen hoge druk, maar vult de magnetron met waterstof. “Dat is het werkelijk nieuwe aan hun proces”, benadrukt Guido Janssen. Waterstof zet eventuele restjes zuurstof om in water en het vreet fout geplaatste koolstofatomen onmiddellijk aan. En dat zijn nu net de atomen waar de grafietvorming begint. Zo lijkt waterstof de grafietvorming te voorkomen. “Maar dat werkt alleen als de kristallen maar weinig defecten bezitten”, zegt Janssen. En dus is de vraag hoe ze zulke goede kristallen kunnen kweken om mee te beginnen. Helaas geeft hun wetenschappelijke publicatie daar weinig informatie over.