Faculté des sciences

Aspects of the synthesis and characterization of diamond and diamond like carbon films

Alers, Paul ; De Rooij, Nicolaas-F. (Dir.)

Thèse de doctorat : Université de Neuchâtel, 2007 ; Th. 1952.

La présente thèse est le résultat de 15 ans d’efforts continus. Débuté en 1991, le travail de recherche s’est achevé en 2005 avec une publication finale. Le contenu de la thèse est composé de parties introductives - pour offrir au lecteur une entrée en matière sur le sujet à traiter ultérieurement - et d’articles publiés par l’auteur. A ce stade, l’auteur souhaiterait... Plus

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    Résumé
    La présente thèse est le résultat de 15 ans d’efforts continus. Débuté en 1991, le travail de recherche s’est achevé en 2005 avec une publication finale. Le contenu de la thèse est composé de parties introductives - pour offrir au lecteur une entrée en matière sur le sujet à traiter ultérieurement - et d’articles publiés par l’auteur. A ce stade, l’auteur souhaiterait attirer l’attention sur le fait qu’en raison du processus d’achèvement assez lent de la présente thèse, les éférences des premiers chapitres n’ont pas été mises à jour, après les récentes publications de travaux concernant les sujets abordés. Par conséquent, ils reflètent l’état des connaissances à l’époque où les articles ont été écrits. Le carbone est le sujet-clé de la thèse. Dans le but d’initier le lecteur aux sujets traités dans les publications de l’auteur, on trouvera des chapitres introductifs au début du présent document. Le premier chapitre offre une vue panoramique sur l’histoire du diamant et du DLC. Il traite de l’histoire du diamant, qui débute avec le diamant naturel, et continue avec le diamant de synthèse et la description d’exemples d’application du diamant. L’histoire de la spectroscopie Raman, méthode d’analyse intensivement utilisée par l’auteur, est présentée selon le même schéma. Après l’introduction historique, une information à toile de fond plus technique est offerte sur les sujets suivants : Structure et propriétés du carbone ; Spectroscopie Raman ; Méthodes de déposition de diamant et de DLC. Suite à ces chapitres introductifs, le travail scientifique accompli par l’auteur est présenté avec les différents articles scientifiques qu’il a publiés. Le premier article traite de la déposition du diamant avec l’utilisation de la méthode de la flamme acétylène. L’innovation clé présentée par l’auteur dans cet article en tant que premier chercheur dans ce domaine, est l’utilisation d’une configuration de flamme turbulente, ce qui permet une vitesse de croissance plus rapide de la déposition de diamant. Le deuxième article démontre l’influence de la flamme turbulente sur la croissance du diamant mono-cristallin. Le travail présenté ici est l’une des premières études établissant l’influence de la morphologie de la flamme sur la croissance du diamant à cristal unique, comparée à d’autres paramètres de déposition tels que la composition du gaz, la distance entre le substrat et la flamme, et l’orientation du substrat cristallin. Le troisième article traite de l’interaction des couches de diamant synthétique avec le molybdène. L’intérêt de cette étude réside dans l’utilisation potentielle du molybdène comme électrode de contact électrique, aussi bien que dans l’utilisation de la nucléation pour initier le substrat à la déposition de diamant. Dans les quatrième et cinquièmes articles, l’auteur apporte sa contribution dans le domaine de l’analyse spectroscopique Raman des couches de carbone amorphe. A l’époque de sa publication, l’article a contribué au travaux en cours de différents groupes de recherche internationaux cherchant à comprendre comment utiliser la spectroscopie Raman pour interpréter la structure et la composition des matières carbones. Dans les plus récentes publications de cette thèse, on peut voir que les résultats de cette recherche sont toujours utilisés activement pour caractériser les couches de carbone. L’article numéro six traite de nouvelles méthodes innovatrices découvertes par l’auteur, ce qui permet de caractériser le comportement d’expansion thermale du diamant en utilisant la spectroscopie Raman. L’importance de cette innovation réside dans le fait que la mesure de l’expansion thermale du diamant - relativement difficile avec l’utilisation des méthodes conventionnelles - est largement simplifiée avec la méthode proposée par l’auteur. Dans le dernier article présenté dans cette thèse, l’influence du vide sur les propriétés de frottement et d’usure des films de carbone est étudiée. Il est démontré que les films de carbone dotés de bonnes propriétés de frottement et d’usure dans les conditions atmosphériques peuvent se dégrader rapidement en cas d’exposition au vide. L’étude a un impact direct sur l’utilisation de tels films, par exemple sur les satellites ou pour la production d’outils pour le vide profond. Une conclusion et une perspective sont présentées au lecteur, suite à la présentation sus-mentionnée du travail scientifique accompli par l’auteur durant sa thèse
    Summary
    The present thesis is the result of 15 years of continues efforts. The research work started in 1991 and has been completed by a final publication in 2005. The content of the thesis is composed of introductory parts (giving the reader an introduction into the later to be discussed subject) and articles published by the author. At this point the author would like to draw the attention to the fact that, due to the rather lengthy process of completion of the presented thesis, the references in the first chapters have not been updated with recent new publications on the subjects discussed and therefore reflect the knowledge state at the time the articles were written. The key subject of the thesis is carbon materials. In order to initiate the reader into the subject to be discussed in the publications of the author, introductory chapters are found at the beginning of the present document. In the first chapter an historical overview on diamond and DLC is given. The history of diamond, starting with natural diamond and continuing with man made diamonds, is treated and examples of applications of diamond are described. Equally the history of Raman spectroscopy, an analysing method intensively used by the author, is presented. After the historic introduction, more technical background information is offered on the following subjects: carbon structure and properties ; Raman spectroscopy ; Diamond & DLC deposition methods Following these introductory chapters the scientific work accomplished by the author is presented. This is done introducing the different scientific articles published by the author. The first article deals with the deposition of diamond using the acetylene flame method. The key innovation presented by the author in this article is the use of a turbulent flame configuration, as the first researcher in this field, which allows for a quicker growth rate of the diamond deposit. The second article demonstrates the influence of flame turbulence on the growth of mono crystalline diamond. The work presented here is one of the first studies demonstrating the influence of flame morphology on single crystal diamond growth a compared to other deposition parameters such as gas composition, substrate to flame distance and seed crystal orientation. The third article discusses the interaction of synthetic diamond layers with molybdenum. The interest of this study lies in the potential use of molybdenum as an electrical contact electrode on diamond, as well as in the use of molybdenum as a nucleation initiating substrate for diaond deposition. The contribution in the fourth and fifth article by the author is in the field of Raman spectroscopy analysis of amorphous carbon films. The paper is a contribution to the, at that time of publication, ongoing work in different international research group aiming at understanding how to use Raman spectroscopy to interpret the structure and composition of carbon materials. In the most recent publication in this thesis, one can see that the results of this research is still being actively used when characterising carbon layers. Article number six deals with a new innovative method, discovered by the author, which allows to characterize the thermal expansion behaviour of diamond using Raman spectroscopy. The importance of this innovation lies in the fact that the measurement of the thermal expansion of diamond, which is quite difficult using conventional methods, is greatly simplified using the method proposed by the author. In the last article presented in this thesis the influence of vacuum on the friction and wear properties of carbon films is studied. It is demonstrated that carbon films having good friction and wear properties under atmospheric conditions can degrade quickly when exposed to vacuum. The study has an direct impact on the use of such coatings in for instance satellites or high vacuum production tools. After the above mentioned presentation of the scientific work accomplished by the author during his thesis, a conclusion and outlook is presented to the reader