Synthèse et caractérisation de films de diamant présentant différentes microstructures par plasmas micro-ondes à sources ponctuelles

Synthesis and characterization of diamond films with different microstructures using distributed antenna array plasmas

• Auteur / Autrice : Chainaa Mahi
• Direction : Fabien Benedic
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Sciences pour l'ingenieur
• Date : Inscription en doctorat le 30/09/2020; Soutenance le 20/11/2023
• Etablissement(s) : Paris 13
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Galilée (Villetaneuse, Seine-Saint-Denis)

Mots clés

Mots clés libres

Diamant

Films minces

Dépôt chimique en phase vapeur

Diamond

Thin films

Chemical vapour deposition

Résumé

Cette thèse vise l'étude de la synthèse de films de diamant possédant différentes microstructures par dépôt chimique en phase vapeur assisté par plasmas micro-ondes en utilisant un système de dépôt à sources plasmas ponctuelles et leur caractérisation pour des applications spécifiques. Il s'agit dans un premier temps d'évaluer les potentialités de films de diamant nanocristallin produits à basse température sur des substrats de TA6V en vue d'applications biomédicales et sur des substrats en verre pour des applications optiques. Dans un second temps, les aptitudes du système de synthèse pour élaborer des films de diamant polycristallin, puis monocristallin, sont démontrées avec succès en adaptant convenablement les paramètres du procédé tels que la pression, la température et la position du substrat, la composition du mélange gazeux. Dans un troisième temps, le dopage des couches de diamant monocristallin avec des atomes d'azote afin de créer des centres NV est investigué en vue d'applications dans les technologies quantiques, notamment en magnétométrie, tirant profit des faibles vitesses de croissance qui peuvent être obtenues. Si le dopage s'avère efficace avec le système de synthèse considéré, la création des centres NV nécessite des post-traitements tels que l'irradiation électronique et l'implantation ionique à l'hélium afin de générer en quantité suffisante et de mouvoir les lacunes de carbone dans les films dopés. Les propriétés de photoluminescence et de spin de ces centres NV sont évaluées et leur aptitude à répondre aux exigences des applications visées est discutée

The aim of this thesis is to study the synthesis of diamond films with different microstructures by microwave plasma-assisted chemical vapour deposition using distributed antenna array plasmas, and their characterization for specific applications. In the first part of this thesis, the aim is to assess the potential of nanocrystalline diamond films produced at low temperature on TA6V substrates for biomedical applications, and on glass substrates for optical applications. In a second part, the ability of the synthesis system to produce polycrystalline and then single-crystal diamond films is successfully demonstrated by suitably adapting process parameters such as pressure, temperature, substrate position and gas mixture composition. Thirdly, the doping of single-crystal diamond layers with nitrogen atoms to create NV centres is studied for potential application in quantum technologies, particularly for magnetometry, by taking advantage of the low growth rates that can be achieved. While doping is found to be effective with the considered synthesis system, the creation of NV centres requires post-treatments such as electron irradiation and helium ion implantation to generate sufficient quantities of carbon vacancies in the doped films, and to displace them. The photoluminescence and spin properties of these NV centres are evaluated, and their suitability for targeted applications is discussed