Supreme Semiconductor : Diamant industriel

Sep 12, 2023

Le diamant industriel est considéré comme le semi-conducteur suprême pour réduire les pertes lors de la transmission de puissance sur de longues distances. Alors que le silicium est aujourd'hui la star des semi-conducteurs, le diamant pourrait le remplacer dans les décennies suivantes. Doté de capacités électroniques et thermiques supérieures, ce remplaçant offre de nombreuses possibilités en transmission de puissance, en bionique, ou en aéronautique, si son coût baisse.

L'une des difficultés majeures des technologies de la transition énergétique est leur coût élevé, notamment du fait de l'utilisation de matériaux et métaux rares. Dans ce contexte, l'utilisation de diamants, un matériau trop cher, pourrait être considérée comme prohibitive. C'est pourtant l'avis d'Étienne Gheeraert, coordinateur du projet européen GreenDiamond.

Objectif du projet : remplacer les semi-conducteurs à base de silicium d'un convertisseur, par un diamant, pour réduire les pertes d'énergie dans le transport d'électricité des parcs éoliens offshore.

"L'idée du projet européen GreenDiamond est de réduire au maximum les déperditions énergétiques", explique Étienne Gheeraert. Pour les applications d'électronique de puissance, l'un des facteurs les plus importants est le champ de claquage du matériau. Dans le cas du silicium, cela équivaut à 300 000 V/cm, ce qui est assez faible. Dans le cas du diamant par contre, le champ de claquage est de 10 MV/cm.

Pour supporter une tension de 1 000 V, un convertisseur nécessiterait une couche de 100 microns, ce qui induit une résistance importante, contre 1 micron pour le diamant. Avec ce changement, on estime que les pertes d'énergie peuvent être réduites par quatre.

Électromobilité

A puissance équivalente, mais avec une taille réduite, le diamant ouvre de nouvelles voies pour des applications en bionique et dans les transports. Le poids du matériau étant l'ennemi numéro 1 dans la conception des véhicules, ce remplacement devient très intéressant.

Si la réduction de poids est impliquée dans de plus petits volumes de matériaux, la résistance aux hautes températures est également un argument majeur dans ces applications. Au-delà de 150°C, les propriétés du silicium changent et ne sont plus optimales. Le diamant peut facilement monter jusqu'à 300°C. Par conséquent, là où un convertisseur au silicium nécessite un système de refroidissement complexe, le diamant offre des solutions plus simples et plus faciles. "Dans le cas de l'électrification des avions, on peut imaginer le passage d'un convertisseur de 400 kg à 50 kg, ce qui serait un gain énorme", explique Étienne Gheeraert.

De manière générale, les semi-conducteurs sont des matériaux, inorganiques ou organiques, qui ont la capacité de contrôler leur fonctionnalité en fonction de la structure chimique, de la température, de l'éclairage et de la présence de dopants. Le nom de semi-conducteur vient du fait que ces matériaux ont une conductivité électrique entre celle d'un métal, comme le cuivre, l'or etc. et celle d'un isolant, comme le verre. Ils ont une bande interdite inférieure à 4 eV (environ 1 eV). En physique du solide, il existe un écart d'énergie entre la bande de valence et la bande de conduction dans laquelle les états électroniques sont interdits. Contrairement aux conducteurs, les électrons d'un semi-conducteur doivent obtenir de l'énergie (par exemple, à partir d'un rayonnement ionisant) pour traverser la bande interdite et atteindre la bande de conduction. Les propriétés des semi-conducteurs sont déterminées par la différence d'énergie entre les bandes de valence et les bandes de conduction.

Le diamant est une forme solide de l'élément carbone avec ses atomes disposés dans une structure cristalline appelée diamant cubique. Les diamants sont également de très bons isolants électriques, ce qui est étrangement à la fois utile et problématique pour les appareils électriques. Le diamant est un semi-conducteur à large bande interdite (Egap = 5,47 eV) avec un potentiel élevé en tant que matériau dans de nombreux appareils, y compris l'électronique. Les détecteurs au diamant sont très similaires aux détecteurs au silicium, mais offrent des avantages significatifs, notamment une dureté de rayonnement élevée et des courants de dérive très faibles.

Caractéristiques essentielles du diamant en tant que matériau semi-conducteur avancé

Applications des convertisseurs de diamant

Si le rendement d'un bon convertisseur silicium est d'environ 97%, il est possible d'atteindre 99% avec un convertisseur diamant. Cette différence peut sembler minime. Cependant, les avantages sont importants pour certaines applications spécifiques, telles que la transmission d'énergie HVDC (courant continu haute tension) longue distance, comme c'est le cas avec les parcs éoliens offshore. Pour apporter 1 GW de puissance sur le continent, 20 MW sont économisés !

La deuxième application est le transport en général, car toute technologie permettant de gagner du poids sur un véhicule est potentiellement intéressante. Si les voitures électriques classiques sont équipées de convertisseurs au silicium, certains véhicules haut de gamme utilisent du carbure de silicium (SiC), qui peut être considéré comme un intermédiaire entre le silicium et le diamant. Par exemple, Toyota a estimé qu'il était possible de gagner 20 % d'autonomie en passant du Si au SiC. Cela signifie que des gains encore plus importants peuvent être réalisés en passant aux diamants. Cependant, la voiture occupe la deuxième place dans les projets de conversion de diamants, le principal marché cible étant l'aérospatiale, car c'est un secteur qui cherche constamment à réduire le poids de ses avions.

Le diamant naturel est associé au luxe

Le diamant n'est pas un produit de luxe, mais un produit industriel. Par ailleurs, le processus industriel de fabrication des diamants synthétiques est maîtrisé depuis longtemps. Les machines PECVD utilisées pour fabriquer des diamants permettent de déposer une surface de 50 diamants de la taille d'un grain de sable sur une surface de 2 pouces de diamètre. Quand il s'agit de fabriquer un diamant, ce n'est pas difficile : le processus a besoin d'hydrogène qui peut être obtenu par hydrolyse de l'eau et du méthane pour la source de carbone.

Sur la base des productions connues en Inde et en Chine, on estime que 12% des bijoux en diamants sont fabriqués industriellement à l'insu du joaillier, et ce taux est en augmentation. Par conséquent, les fabricants nous vendent des diamants au même prix que les bijoutiers. Mais cette situation ne peut pas durer ; les choses vont changer dans les années à venir à mesure que la technologie ouvrira de nouveaux marchés importants qui bouleverseront complètement le commerce traditionnel. Rien n'arrêtera la technologie du diamant et le prix tombera à la valeur d'un marché industriel. Cela se produira dès que la recherche démontrera une application industrielle généralisée du diamant dans l'électronique.

Cette technologie est-elle prête à voir le jour à l'échelle industrielle ?

Du point de vue de la recherche, GreenDiamond est depuis longtemps impliqué dans la fabrication de convertisseurs de diamant. L'objectif du projet GreenDiamond est également d'impliquer l'industrie. A l'issue de ce projet, une start-up est née : DiamFab, créée en mars 2019, et qui a remporté un Grand Prix i-Lab en 2019. De plus, ils ont déjà créé des diodes et des transistors prêts à être installés, ils se rapprochent de l'industrialisation. La question qui se pose est liée au coût du diamant. Pourquoi le diamant est-il si cher ? Car le prix n'est pas régi par la loi de l'offre et de la demande, contrairement à la plupart des matériaux technologiques. Cependant, à partir des années 1970, le coût réel de fabrication des diamants synthétiques était relativement faible, en raison des machines capables de les créer à basse pression et température. Actuellement, le prix du diamant est ajusté par les bijoutiers, en fonction de la demande.

Diamants en génétique

Très récemment, des chercheurs japonais ont même utilisé des diamants pour stocker des molécules d'ADN. La recherche génétique nécessite des sites de stockage aussi neutres que possible afin que les molécules d'ADN ne réagissent pas. Avec les surfaces en diamant, les biologistes peuvent maintenir les molécules d'ADN en bon état pendant des semaines. La faible réactivité chimique du diamant et sa neutralité biologique lui confèrent ce rôle inédit.

La variété de ces cristaux de carbone qui contiennent jusqu'à un pourcentage de bore ou de phosphore est très grande. Cependant, la chimie nous enseigne que les diamants brûlent très bien dans l'air à des températures élevées. C'est sans doute un moyen coûteux de produire du dioxyde de carbone, ce qui donne une idée des limites de ce matériau extraordinaire en atmosphère oxydante.

Propriétés du diamant qui déterminent son utilisation dans divers domaines

Tout d'abord, la dureté exceptionnelle, qui est 150 fois supérieure à celle du corindon et dix fois celle des meilleurs alliages utilisés dans la fabrication des fraiseuses. Le diamant est utilisé pour le forage de roche et le traitement mécanique d'une large gamme de matériaux.

Plus de la moitié de la production de diamants industriels sert à fabriquer des outils spéciaux pour l'industrie manufacturière. L'utilisation de fraises et de forets diamantés dans le traitement des métaux non ferreux et ferreux, des alliages durs et super durs, du verre, du caoutchouc, des plastiques et d'autres substances synthétiques offre un effet économique énorme par rapport à l'utilisation d'outils en carbure. Les surfaces traitées avec une fraise diamantée ne nécessitent pas de ponçage, il n'y a pratiquement pas de microfissures et, par conséquent, la durée de vie des pièces obtenues augmente souvent.

Presque toutes les industries, principalement celles qui utilisent l'électricité, la radioélectronique et la fabrication d'outils, utilisent d'énormes quantités de fils fins de divers matériaux. Dans le même temps, des exigences strictes sont imposées sur la forme circulaire et la cohérence du diamètre de la section transversale du fil avec une finition de surface élevée. Un tel fil de métaux durs et d'alliages (tungstène, acier au chrome-nickel, etc.) ne peut être fabriqué qu'à l'aide de moules en diamant. Les moules sont des diamants lamellaires avec les trous les plus fins.

Applications industrielles

Forage au diamant

La performance des opérations de forage permet le forage au diamant, qui se distingue non seulement par sa haute résistance mécanique, mais également par la précision de la formation des arêtes. La technologie prévoit d'inclure dans le processus de travail le système de refroidissement des éléments de coupe par l'eau. De plus, en plus de la fonction de refroidissement, le système a un rôle de filtrage, éliminant instantanément la poussière qui se forme lors du forage.

Le diamant est fréquemment utilisé dans l'industrie pétrolière et gazière et dans l'industrie minière. Les diamants sont le matériau le plus dur et, en tant que tels, les forets diamantés sont capables de percer des trous dans pratiquement n'importe quel matériau avec une précision inégalée avec toute autre technique de forage. Les trépans au diamant sont bien connus dans l'industrie minière et bien que la technologie de base puisse sembler la même, la technologie du compact de diamant polycristallin (PDC) est spécialement conçue pour le forage de puits de pétrole et de gaz.

Conductivité thermique

Les monocristaux de diamant synthétique enrichis en carbone 12 (99,9 %), diamant isotopiquement pur, ont la conductivité thermique la plus élevée de tous les matériaux, 7,5 fois supérieure à celle du cuivre. La conductivité du diamant naturel est réduite de 1,1 % par le carbone 13 naturellement présent, qui agit comme une inhomogénéité dans le réseau. Ces propriétés permettent au diamant d'être utilisé comme radiateur pour des composants électroniques ou optoélectroniques, tels que des lasers.

La conductivité thermique naturelle du diamant est utilisée par les spécialistes pour différencier un vrai diamant d'une imitation. Ce test est basé sur une paire de thermistances alimentées par batterie montées dans une fine pointe de cuivre. L'un fonctionne comme un appareil de chauffage tandis que l'autre mesure la température de la pointe de cuivre. Si la pierre testée est un diamant, elle conduira l'énergie thermique de la pointe assez rapidement pour produire une chute de température mesurable. Ce test prend environ 2 à 3 secondes.

Sable de diamant

Le diamant est utilisé sous diverses formes, mais la poudre de diamant est le plus couramment utilisée dans l'industrie. Les poudres sont obtenues par broyage de diamants naturels de basse qualité et sont fabriquées dans des unités spéciales pour la production de diamants synthétiques. Les poudres de diamant sont utilisées dans les lames de scies circulaires, les forets diamantés fins, les limes spéciales, mais aussi comme abrasif. Ce n'est qu'avec l'aide de poudres de diamant qu'il a été possible de créer des forets uniques qui fournissent de fins trous profonds dans des matériaux durs et cassants.

Les poudres de diamant sont utilisées dans les usines de taille, où toutes les pierres précieuses, y compris les diamants, sont taillées et polies. Dans le diamant, sous l'action d'une particule chargée, un flash lumineux et un courant pulsé apparaissent. Ces propriétés permettent d'utiliser les diamants comme détecteurs de rayonnement nucléaire. La brillance des diamants et l'apparition d'impulsions de courant électrique lors de l'irradiation permettent de les utiliser dans des compteurs de particules rapides.

Utilisation du diamant en joaillerie

Le diamant est la pierre la plus précieuse au monde, se formant en milliards d'années sous la surface de la terre. La pression et la chaleur extraordinaires de la croûte terrestre transforment le carbone en une pierre merveilleuse, la plus convoitée par beaucoup. Lors de la création de bijoux, les qualités des diamants telles que : le nombre de carats, la couleur, la pureté, la fluorescence sont prises en compte.

La façon dont un diamant est taillé est le facteur le plus important pour déterminer si un minéral sera attrayant. L'item marqué 'excellent' ou 'parfait' signifie que le joaillier s'est assuré que le diamant est taillé proportionnellement. Mal taillé, il ne brillera pas ou ne brillera pas correctement, car la lumière ne sera pas réfléchie à travers la pierre comme il se doit. Même ses imperfections, telles que la couleur jaunâtre, sont difficiles à prendre en compte dans un diamant parfaitement taillé.

Les mines de diamants les plus riches du monde

Aujourd'hui, la production mondiale de diamants est répartie entre l'Afrique et le reste du monde. Le continent africain représente environ 60 % de la production mondiale de diamants, avec d'importants gisements dans des pays comme le Botswana (18 %), l'Afrique du Sud (9 %), la République démocratique du Congo (15 %), l'Angola (6 %) ou Namibie (1%). Les autres grands pays producteurs hors Afrique sont la Russie, avec 22% de la production mondiale, mais aussi l'Australie (17%) et le Canada (7%) sont également deux pays importants en termes de production de diamants.

La première mine de diamants du Botswana a été découverte un an après l'indépendance, en 1967, et depuis lors, la part du secteur dans l'économie a augmenté au fil des ans. Aujourd'hui, le secteur minier, dominé par le diamant, représente 80% des exportations du pays, 38% des recettes budgétaires et 23% des recettes douanières. Le pays est le plus grand producteur d'Afrique et le deuxième au monde, après la Russie. Cependant, le contrôle de l'État sur les diamants repose également sur son partenariat public-privé avec De Beers, filiale du géant anglo-américain et la plus grande société diamantaire au monde. Les deux parties ont formé une joint-venture (50/50), Debswana, pour explorer les mines, et une société, Diamond Trading Company Botswana (DTCB), pour capitaliser sur les diamants produits.

Au Congo, les gisements de diamants sont concentrés au Kasaï-Oriental, près de Mbuji-Mayi, et au Kasaï-Occidental. Ils sont alluviaux, éluviaux et primaires et étroitement liés aux veines de kimberlite. Les diamants se trouvent également dans le Bas-Congo, le Haut-Congo, le Maniema, l'Equateur et le Bandundu. Le pays abrite cinq projets et opportunités, à savoir Blue Diamond, K North, Kasai Diamond, Kayembe Project et Soneco SARL Project.

En Angola, le secteur du diamant est en plein essor. Le pays est actuellement le cinquième producteur/exportateur mondial. La majeure partie (75%) de la production de diamants de l'Angola provient d'une seule mine, Catoca, détenue par un consortium qui comprend la société russe Alrosa et la société nationale du diamant Endiama.

L'industrie sud-africaine du diamant est souvent éclipsée par l'or, le platine ou d'autres homologues dont Rainbow Nation est le leader. Cependant, d'importantes découvertes de diamants ont eu lieu dans les mines du pays dans le passé, comme Cullinan, où le plus gros diamant de l'histoire a été découvert.

L'Afrique du Sud abrite d'importants négociants en diamants tels que De Beers et Petra Diamonds. On estime que la majeure partie de la production de diamants de l'Afrique du Sud provient de la mine De Beers Venice et de la mine Petra Diamonds Finsch. La mine de Venise est la principale source de production de diamants en Afrique du Sud (40 % de la production annuelle). La De Beers y prépare un projet d'extension souterraine, qui devrait lui permettre de traiter 133 millions de tonnes de minerai d'ici 2022 et de produire environ 94 millions de carats sur sa durée de vie. Il y a aussi la société minière sud-africaine Diamcor, active sur le projet Krone-Endora, qui comprend des droits d'exploration couvrant environ 5888 ha.

La Namibie fait partie des 10 plus grands producteurs de diamants au monde et toute sa production est alluviale. L'opération offshore de De Beers, Debmarine, produit plus de la moitié de la production namibienne en volume et en valeur. Debmarine est actuellement la seule mine de diamants offshore à grande échelle au monde. Il appartient à Namdeb Holdings, une joint-venture (50/50) de De Beers et du gouvernement namibien. Le projet abrite environ 80 millions de carats.

En 2014, le Zimbabwe était le 8e producteur mondial de diamants, avec 4,7 millions de carats, selon les chiffres du groupe Kimberley Process. Depuis lors, la production a diminué, le gouvernement ayant décidé en mars 2016 de nationaliser ses mines de diamants. Toutes les entreprises opérant dans la région de Marange ont été expulsées après avoir refusé d'adhérer à la Zimbabwe Consolidated Diamond Company (ZCDC), une entité créée par l'État pour gérer ses mines de diamants. La raison invoquée était l'expiration des licences.

La Sierra Leone est depuis plusieurs années au cœur du commerce du diamant qui a servi à financer une guerre civile dans les années 1990. Bien que la guerre se soit terminée en 2002, avec plus de 50 000 morts, en 2003, l'ONU a levé l'embargo sur les exportations de diamants. Aujourd'hui, le pays semble se remettre de ces années sombres. Parmi les plus grands projets du secteur figurent les mines de Tongo et Tonguma, qui détiennent ensemble une ressource de 5 millions de carats. En mars 2017, un chercheur a découvert un énorme diamant de 706 carats dans la province de Kono.

Le Lesotho abrite la plus haute mine de diamants du monde, la mine Letšeng, propriété de la société minière Gem Diamonds, située à 3000 m d'altitude. La mine Letšeng est connue pour sa capacité à produire des diamants blancs de qualité exceptionnelle. Un diamant de 910 carats considéré comme le cinquième plus gros au monde a été découvert par Gem Diamonds en janvier 2018.

La production de diamants de la Tanzanie, qui a atteint 356 000 carats en 2000, était de 207 000 carats en 2019 selon le Processus de Kimberley. La plus grande mine du pays est Williamson. La mine est une exploitation à ciel ouvert basée sur la cheminée de kimberlite Mwadui de 146 hectares, qui est l'une des plus grandes kimberlites économiques au monde. Bien qu'elle soit en activité depuis 1940, la fosse ne mesure que 120 mètres à son point le plus profond en raison de la grande taille du gisement. La faible teneur du gisement est compensée par la valeur élevée de ses diamants et se prête bien aux méthodes d'extraction en vrac à volume élevé. Williamson est réputé pour ses produits blancs magnifiquement arrondis et ses diamants roses "bubblegum", y compris le Williamson Pink de 23 carats (pierre brute de 54 carats), qui est considéré comme l'un des plus beaux diamants roses jamais récupérés.

Autres pays producteurs de diamants

Parmi les autres pays africains producteurs de diamants figurent le Ghana (174 000 carats en 2015), la Guinée (167 000 carats), le Libéria (69 000 carats), le Congo (40 000 carats), la Côte d'Ivoire (15 000 carats) et le Cameroun (2 000 carats). Ces données ont été publiées en octobre 2019 par Kimberley Process, une organisation créée en 2000 pour une plus grande transparence dans l'industrie mondiale du diamant.

À propos de la Coalition de la société civile du Processus de Kimberley (KP CSC)

Le KP CSC a pour mission spécifique de veiller à ce que les diamants contribuent à la paix et à la prospérité, plutôt qu'aux conflits et à la misère. Dans ce but, ils ont toujours et continuent d'appeler l'industrie et les gouvernements des pays producteurs, commerçants et fabricants de diamants à s'assurer que les revenus du diamant ne contribuent pas au financement des conflits, de la violence ou des violations des droits de l'homme.

Le KP CSC note que la Fédération de Russie et la société d'extraction de diamants Alrosa – dans laquelle la Fédération de Russie détient une part de 33 % – sont respectivement le plus grand pays producteur de diamants et la plus grande société d'extraction de diamants au monde, et ont donc un impact considérable et mondial sur ce secteur. Ils demandent donc aux gouvernements, à l'industrie et au système de certification du Processus de Kimberley (KP) de s'assurer que les diamants produits en Russie ou par l'entreprise russe d'extraction de diamants Alrosa ne contribuent pas au financement des conflits.