Optical centers in cubic boron nitride and diamond: remarkable similarities

Imaginez deux matériaux super durs et super brillants qui sont les « rock stars » du monde minéral : le diamant et le nitrure de bore cubique (cBN). Considérez-les comme les jumeaux ultimes séparés à la naissance. Ils possèdent tous deux une structure cristalline qui ressemble à un réseau parfait d'atomes imbriqués, ils peuvent supporter une chaleur brûlante sans fondre, et ils sont incroyablement résistants. Parce qu'ils sont si similaires, les scientifiques soupçonnent depuis longtemps que si l'on perce un trou dans l'un ou que l'on laisse tomber un grain de poussière dans l'autre, ils devraient réagir de manière presque identique.

Mais voici le mystère : nous en savons beaucoup sur les « cicatrices » et les « marques de naissance » (défauts) à l'intérieur des diamants. Nous savons exactement ce qui fait scintiller un diamant en bleu ou le fait briller en vert. Mais le cBN est comme un cousin timide qui garde ses secrets. Nous le voyons briller de couleurs étranges, mais nous ne savons pas ce qui en est la cause. Est-ce un atome manquant ? Un atome en trop ? Un type spécifique d'impureté ? Comprendre ces minuscules failles est crucial car cela pourrait permettre de transformer le cBN en un outil de haute technologie pour les ordinateurs quantiques ou les lumières ultra-lumineuses, tout comme nous l'avons fait avec le diamant.

Ce document est comme une histoire de détective où les enquêteurs décident d'arrêter de deviner pour commencer à comparer. Les chercheurs ont fait croître les cristaux de diamant et de cBN dans le même four à haute pression, en utilisant les mêmes outils et les mêmes conditions. C'est comme cuire deux gâteaux différents dans le même four avec la même pâte pour voir comment ils montent. En les observant côte à côte, ils ont découvert que les « cicatrices » du cBN sont en fait des images miroirs des cicatrices du diamant, simplement légèrement décalées en couleur.

Voici ce qu'ils ont découvert :

Le mystère du jaune résolu
Beaucoup des cristaux de cBN qu'ils ont fait croître étaient d'un jaune solaire éclatant. Pendant longtemps, personne ne savait pourquoi. Les chercheurs ont découvert que dans ces taches jaunes, il y avait beaucoup d'oxygène. Ils ont réalisé qu'un atome d'oxygène s'était faufilé dans le cristal et avait pris la place d'un atome d'azote. C'est comme un jeu de chaises musicales où l'oxygène s'est assis sur le siège de l'azote, changeant ainsi la couleur du cristal. C'est très similaire à la façon dont l'azote provoque des couleurs jaunes dans les diamants, mais avec l'oxygène jouant le rôle principal dans le cBN.

Les jumeaux de la « radiation »
Lorsqu'ils ont bombardé le cBN avec des particules à haute énergie, de nouveaux points brillants sont apparus, nommés RC1 et RC3. Ils ressemblaient étrangement aux célèbres centres « Azote-Lacune » (Nitrogen-Vacancy) des diamants (ceux qui font briller les diamants en rouge ou en vert). Les chercheurs ont remarqué que ces points de cBN changeaient leur lueur lorsqu'ils étaient frappés par différentes couleurs de lumière, tout comme leurs cousins diamants. Ils suggèrent que ce ne sont pas de simples bugs aléatoires ; il s'agit probablement d'un complexe où un atome d'oxygène a pris la place d'un atome d'azote, situé juste à côté d'une lacune de bore (un atome manquant). L'un est la version « neutre » et l'autre est la version « chargée », agissant exactement comme les paires azote-lacune dans les diamants, mais avec cette équipe spécifique d'oxygène et de lacune de bore.

Les indices du nickel et du silicium
Ils ont également trouvé une lueur spécifique à 1,76 eV dans les cristaux fabriqués avec un catalyseur de nickel. Dans les diamants, le nickel crée un motif lumineux très spécifique et complexe. Puisque les cristaux de cBN ont été fabriqués avec le même nickel, les chercheurs pensent que cette lueur est également causée par le nickel, et non par un atome d'azote manquant comme certains l'avaient précédemment supposé.

De même, lorsqu'ils ont ajouté du silicium au mélange, une nouvelle lueur est apparue à 1,816 eV. Dans les diamants, le silicium crée un défaut de « lacune scindée » (où l'atome de silicium se situe entre deux emplacements, les écartant). Les chercheurs suggèrent que la lueur du cBN est la même chose : un atome de silicium et une lacune travaillant ensemble, plutôt qu'un simple atome de silicium isolé.

Le « fantôme » dans la machine
Enfin, il y avait une lueur étrange et nette appelée centre BN1 qui est apparue après une forte irradiation. Elle possédait une « empreinte digitale » unique de vibrations sonores (phonons) oscillant autour d'elle. Cette empreinte correspondait à un défaut dans les diamants causé par un complexe lié à un interstitiel (un défaut impliquant un atome coincé dans les interstices du cristal). Les chercheurs proposent que le centre BN1 est probablement un défaut similaire lié à un interstitiel dans le cBN, plutôt qu'une simple lacune.

La vue d'ensemble
Le document ne prétend pas avoir résolu chaque mystère avec une certitude absolue. Au lieu de cela, il offre une carte très solide. Il suggère que si vous connaissez la « personnalité » d'un défaut dans le diamant, vous pouvez deviner la « personnalité » de son jumeau dans le cBN. Les couleurs peuvent être légèrement différentes (décalées d'environ 40 à 140 meV), mais les personnages sont les mêmes. Cela donne aux scientifiques une nouvelle façon puissante de comprendre le cBN : en observant son célèbre jumeau, le diamant, ils peuvent enfin commencer à lire l'histoire écrite par la lumière du nitrure de bore cubique.