09 juin 2015 Jean-Charles ARNAULT jean-charles.arnault@cea.fr
Diamond materials for detection
Workshop Diamant et détecteurs, LPSC, June 9, 2015
Diamond materials for detection Jean-Charles ARNAULT - - PowerPoint PPT Presentation
09 juin 2015 Diamond materials for detection Jean-Charles ARNAULT jean-charles.arnault@cea.fr Workshop Diamant et dtecteurs, LPSC, June 9, 2015 Diamond Sensors Laboratory from Chemical Vapour Deposition of diamond to sensors MEMS
09 juin 2015 Jean-Charles ARNAULT jean-charles.arnault@cea.fr
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MEMS Photonic crystals Implants Electrodes
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a0 = 0.357 nm
(W.cm-1.K-1)
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Mechanical coating (resistance & tribology) Thermal spreading Surfaces et specific properties
First submicronic device on SOD
High speed AFM
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MEA Retinal Implants Cochlear implants Cortical Implant Porous 3D Diamond
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Diamond micro-cantilevers
Mechanical performances sensitivity
Biomimetic approach – electronic noise
Surface acoustic waves sensors (SAW) covered with a layer of Functionalized diamond nanoparticles
Ω Ω Ω.cm) 1013 – 1016
° ° °C)
5.45 eV 7.3 eV
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Positionning of micro/nano beams Smart windows for X-ray tubes
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High Pressure High Temperature Chemical Vapour Deposition
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Burns et al. J. Crystal Growth 104 (1990)
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(113) (110) (100) (111) (100) (110) (113) (111) (111)
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Exothermic - 104 kcal/mole 1
1 W. A. Yarbrough et al,
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CH4 + H CH3 + H2
www.chm.bris.ac.uk/pt/diamond/growthmodel.htm
Micro-waves
Plasma H2/CH4 Pumping Substrate holder Substrate
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1 for intrinsic single crystals (SC) 2 for boron doping (p- / p+) SC 1 connected to UHV set-up for fundamental studies 2 for prospective studies 2 semi-industrial reactors (intrinsic or B-doped) Substrate area: 2 à 4 inches
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substrate holder Ib HPHT substrate H2 + CH4 (<10%) Micro-waves 5-100 W/cm3 T~1100 K Plasma T~ 3000 - 3500 K CH4 + H CH3 + H2 H2 2 H e-, D Epitaxial film
3x3mm2 (300€)
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Radiation X-ray, γ γ γ γ, … Energy range keV-15 MeV Electric field
+ - + - + -
+ - + - + -
electrode diamond electrode Radiation detector
1039, Warrendale, PA, 2008.
2 4 6 8 10 12 14 16 18 1600 1800 2000 2200 2400 2600 2800 3000
electron mobility hole mobility
Mobility (cm
2,V
Methane concentration (%)
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IIa CVD diamond grown on a 7 x7 mm2 HPHT
Muehle et al. DRM 42 (2014) 8
1000 W / cm3 300-400 Torr
Yamada et al. DRM 24 (2012) 29
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CHx
+
H+ C C C CHx
+
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Diamond / Si
129 nm 139 nm
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100 nm
Diamond / Ir
0.27° ° ° ° 0.69° ° ° °
XRD Heteroepitaxial diamond
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Microcrystalline Nanocrystalline Textured (100) Textured (111)
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10 cm
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Poly Mono Up-scale substrate / Reproductibility Crystalline quality
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3C-SiC 2
2 H. Kawarada et al.,
XRD diamond (111) FWHM 1.5° ° ° ° thickness 20 µ µ µ µm
10 20 30 40 3 4 5 6 7 8 9 10 11
∆χ111 ∆ϕ111 ∆ϕrot
(values from {111} Pole figures)
THICKNESS (µm) FWHM (° )
Silicon 1
1 M. Schreck et al., New Diam. Front.
Carbon Technol. 11 (2001) 189.
Iridium 1, 3
SCHICHTDICKE (µ µ µ µm)
10 20 30 40 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 ∆ϕ311 ∆ϕrot ∆ω
THICKNESS (µm)
3 A. Sawabe et al.,
New Diam. Front. Carbon Technol. 12 (2002) 343.. Workshop Diamant et détecteurs, LPSC, June 9, 2015
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100nm 100nm After BEN After growth
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PhD 2014
3 4 1 2
3 4 1 2 131nm 128nm 130nm 127nm Thicknesses (ellipsometry)
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Presented at Spring MRS 2015
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ADAMAS collaboration, Dec 2013
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2013-2015
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