WO2021240074A1 - Preparation of alpha-rhombohedral boron in the presence of a carbon source - Google Patents

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Yann Le Godec
Amrita CHAKRABORTI
Nathalie Madeleine Marquerite VAST
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Centre National De La Recherche Scientifique
Commissariat à l'Energie Atomique et aux Energies Alternatives
Ecole Polytechnique
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Definitions

  • the present invention is in the field of the synthesis of alpha boron, and relates in particular to the preparation of alpha boron in the qualified form of alpha rhombohedral boron. More particularly, the present invention relates to obtaining alpha rhombohedral boron from a reagent comprising essentially boron, but in another form than the alpha rhombohedral form, such as boron in the amorphous state and / or in a crystalline state which may be either rhombohedral beta, or tetragonal, or even orthorhombic, taken for example in one of the beta and / or gamma phases of boron.
  • a reagent comprising essentially boron, but in another form than the alpha rhombohedral form, such as boron in the amorphous state and / or in a crystalline state which may be either rhombohedral beta, or tetragonal
  • thermodynamically stable phase of boron at ambient pressure and temperature conditions is the beta rhombohedral phase when it is in crystalline form, but boron can also exist in other forms, for example in amorphous form.
  • Rhombohedral boron beta is generally obtained from boric acid B 2 O3 in the presence of a reducing metal, and is commercially available.
  • the commercial forms of boron are beta boron and amorphous boron.
  • alpha boron is available in large quantities and at a cost comparable to that of beta boron. Boron in its alpha phase is indeed much more difficult to access, and the methods developed to date use synthetic routes incompatible with the hygiene and safety standards recommended for manufacture on an industrial scale. .
  • alpha boron from rhombohedral beta boron, published in Journal of Crystat Growth, 2011, 321, 162-166, is described.
  • This preparation of alpha boron must be done in the presence of platinum (Pt ) finely divided, and in an enclosure in Pt, or even in gold (Au); also the implementation on an industrial production site of a reactor consisting of these noble metals is not possible, this synthetic route is therefore incompatible with the manufacture of large parts comprising alpha boron and / or with production rates requiring the handling of large volumes of alpha boron.
  • boron in beta or amorphous form, is useful in various fields and is used in particular as a neutron absorber in nuclear reactors.
  • a layer of boron covering reactor parts act as a shield against neutron radiation.
  • Alpha boron combines the described radiation resistance and electronic properties useful for use in semiconductors. This combination of alpha boron properties can be used in many applications.
  • One such application is the solid state materials neutron detector shown in US Patent US2015 / 0060680. Accessibility to the production of alpha boron in larger quantities should thus make it possible to make optimized neutron detectors, and potentially facilitate the production of individual dosimeters.
  • the present invention aims to synthesize alpha boron in a simpler manner, without necessarily resorting to the use of noble metals, and not to use harmful or dangerous reagents. It is therefore compatible with large-scale production in an industrial environment. Summary of the invention
  • the present invention relates to a process for obtaining alpha rhombohedral boron from a carbon source and at least one source of boron other than rhombohedral alpha boron selected from at least one of the selected sources. from amorphous boron, crystalline boron itself selected from beta boron, tetragonal boron and gamma boron, under a pressure of 1 GPa to 5.5 GPa; and at a temperature of 1000 ° C to 2400 ° C.
  • the inventors have demonstrated, using the process according to the invention, that different phases of boron, apart from those of alpha rhombohedral boron itself, could lead to the preparation of alpha rhombohedral boron - in the presence of a source of carbon - with an excellent degree of purity not attainable by the routes known in the state of the art, and conversion yields close to 80-99%.
  • the process according to the invention is all the more advantageous as it makes it possible to dispense with the presence of metals such as transition metals, in particular those from the nickel column such as platinum (Pt), or alkali or alkaline earth metals such as magnesium (Mg).
  • the method according to the invention does not use Pt or Mg.
  • the carbon source is advantageously selected from at least one of the elements chosen from amorphous carbon, diamond and graphite.
  • the carbon source is amorphous carbon.
  • the amorphous carbon makes it possible to work - having regard to the reaction temperature in the context of the invention - at slightly more low temperature (100 ° C to 200 ° C cooler), compared to graphite, or diamond which is itself transformed into graphite at very high temperature.
  • the boron source is advantageously in a crystalline state comprising at least one of the crystal systems selected from the beta rhombohedral reticular system, the tetragonal reticular system or the orthorhombic reticular system.
  • the preferred source of boron is that of rhombohedral beta boron.
  • the source of boron for obtaining rhombohedral boron alpha is free of the latter and is composed of rhombohedral boron beta.
  • the rhombohedral alpha boron obtained has the same isotopic composition as the initial boron source.
  • the boron source contains mainly two isotopes: 11 B nuclei, at a molar concentration of 80.1%, and 10 B nuclei, at a molar concentration of 19.9%.
  • the source of boron, in particular beta boron can be enriched up to at least 99% in isotope 10 B, and up to 96% as standard in commercial products.
  • the source of boron, in particular beta boron can be enriched in isotope 11 B up to at least 99%.
  • the final product may contain any proportion of the two isotopes, between more than 99% of 10 B isotopes and less than 1% of 11 B, up to less than 1% of 10 B nuclei and more 99% of isotopes 11 B.
  • the reagents used for this purpose are advantageously composed:
  • the source of boron is taken in a content of 75 to 85% by mole percentage and the source of carbon is taken in a content of 15 to 25% by mole percentage.
  • the source of boron is 78 to 80% in molar percentage and the source of carbon is 20 to 22% in molar percentage.
  • the implementation of the method according to the invention advantageously comprises at least two steps.
  • a first step i) the reactants comprising the source of boron and the source of carbon are mixed in the proportions described above.
  • a second step ii) the mixture obtained in the first step is subjected to a pressure of between 1 GPa and 5.5 GPa and at a temperature of between 1000 ° C and 2400 ° C.
  • a pressure of between 1 GPa and 5.5 GPa and at a temperature of between 1000 ° C and 2400 ° C.
  • the source of boron is beta boron and the carbon source is amorphous carbon
  • the pressure used is between 4 GPa and 5 GPa and the temperature is 1200 ° C. at 2200 ° C.
  • the rise in pressure is advantageously done initially in at least 10 minutes at room temperature and then it is followed by a rise in temperature until the temperature range is reached.
  • the mixture is maintained for at least 2 hours at a pressure of between 2 to 5 GPa.
  • the temperature for its part is advantageously maintained between 1000 and 1600 ° C, more preferably between 1200 and 1400 ° C.
  • treatment step iii advantageously comprises a first sieving step.
  • the first screen used advantageously comprises holes with a diameter less than or equal to 5 microns.
  • a second sieving step will advantageously be carried out again on a second sieve the pores of which are between 50 and 250 microns.
  • the method according to the invention comprises a final step iv) of deposition by sintering of the sieved products as described above in the context of the invention, on a support of the neutron detector cell type.
  • the alpha rhombohedral boron obtained by implementing the method according to the invention can be subjected to a sintering process consisting in heating said alpha rhombohedral boron in powder form without leading it to melting in order to obtain a part mainly comprising rhombohedral alpha boron.
  • the product resulting from this sintering can be the subject of a detector cell, for example a neutron detector or a personal dosimeter.
  • the pressure implemented during the sintering process being carried out under a pressure between 1 GPa and 5 GPa and at a temperature between 1100 ° C and 1300 ° C.
  • Another object of the invention corresponds to rhombohedral alpha boron having a degree of purity of at least 95%.
  • Said rhombohedral alpha boron obtained by the process of the invention comprising an aggregate of particles consisting of rhombohedral alpha boron, the diameter of which is between 50 and 250 microns.
  • Another object of the invention consists of electronic devices comprising rhombohedral alpha boron giving said device the character of so-called hardened electronic devices.
  • the present invention also relates to the use of rhombohedral alpha boron obtained according to the method described above in the context of the invention in solar cells for photovoltaics. as a replacement for the polycrystalline semiconductor, or in hardened electronics used in space, nuclear or defense.
  • semiconductors of cubic or hexagonal structure subjected to irradiation exhibit energy levels in the forbidden band due to damage by displacement of atoms, which modifies their electronic properties.
  • rhombohedral alpha boron The atomic and electronic structures of rhombohedral alpha boron are less altered by irradiation: the production of rhombohedral alpha boron in greater quantity thus opens the way both towards the production of solar cells for space or defense, and towards the production of a hardened electronics, based on rhombohedral alpha boron.
  • the rhombohedral alpha boron obtained according to the process of the invention has a degree of purity close to that of the initial boron source, and in a standard manner greater than 95%.
  • the degree of purity of the initial boron source it can therefore have different shades such as those found for materials such as silicon carbide, namely metallurgical grade (metallurgical grade), solar type ( solar grade) for solar cell type applications for photovoltaics in a hostile environment, or an electronic grade (electronic grade) for microelectronic applications suitable for use in a hostile environment.
  • the rhombohedral alpha boron obtained according to the method of the invention can also be used as a replacement for silicon in SOI devices "Silicon on insuiator” also called silicon on insulator which is a structure consisting of a stack of a layer silicon (50 nm to a few ⁇ m thick) on an insulator layer.
  • This insulator can be sapphire (siiicon-on-sapphire), air (si / icon-on-nothing) or carbon dioxide.
  • silicon (S1O2) This technology is a promising alternative to raw silicon in the production of transistors operating at high frequencies.
  • the rhombohedral alpha boron obtained according to the process of the invention can also be used instead of the insulator, whether in the form of S1O2 or of silicon on sapphire.
  • Rhombohedral alpha boron is generally in the form of clear red crystals. Rhombohedral alpha red boron is an elemental semiconductor. It has been discovered that this boron allotrope, unlike other materials used in neutron detectors, has a high unit-volume sensitivity which cannot be achieved by other materials used in neutron detectors. Potentially, alpha rhombohedral boron solid state neutron detectors have a neutron detection sensitivity that can be over 500 times that of detectors made from semiconductor or boron trifluoride neutron detectors or lithium scintillation 6.
  • Rhombohedral boron alpha does not suffer from this disadvantage and therefore exhibits the electronic properties of an elemental semiconductor whose electronic bandgap does not contain point defects.
  • Figure 1 illustrates three Raman scattering spectra using a 514.53 nm laser source of rhombohedral alpha boron obtained by the process according to the invention at 5 GPa at the respective temperatures of 1800 ° C, 1400 ° C and 1200 ° C.
  • Figure 2 illustrates the X-ray diffraction spectrum using a copper source, of a rhombohedral alpha boron crystal obtained by the method of the invention at 5 GPa and 1200 ° C.
  • Figure 3 illustrates the X-ray diffraction spectrum, using a source of copper, of the initial reagent, beta boron.
  • the inset in Figure 3 illustrates the superposition of this X-ray diffraction spectrum of the initial reagent (beta boron) comprising at least 5 peaks of high relative intensity, between 2000 a.u and 4000 a.u. (arbitray unit) with the rhombohedral alpha boron spectrum obtained according to the process of the invention, at 5 GPa and 1200 ° C, said final product comprising two peaks of high relative intensity.
  • Figures 4 and 5 show the dimensions of capsules used, as well as their sealing lids, in Paris-Edinburgh type presses.
  • Figure 6 shows a sectional diagram of said Paris-Edinburgh press.
  • Said press comprising the sample to be treated included between the anvils (6) supported by the upper and lower seats (3).
  • the press operating thanks to the hydraulic pressure exerted by an oil pump device connected to the pressure inlet (4), the piston (5) allowing when it moves along the column (2) to close the device which comes into abutment on the plate (1) held stationary by the nuts (8).
  • Reagents they are used in powder form.
  • the source used is beta boron sold by the company Prolabo® under a reference exhibiting a degree of purity of 99.9%, and amorphous carbon sold by the company Sigma-Aldrich® under a reference exhibiting a degree of purity. 99.95% purity.
  • diamond or graphite can be used, the diamond being converted into graphite according to the high temperature process detailed below.
  • the reagents (source of boron and source of carbon) are mixed beforehand with the mortar for 5 minutes with the following proportions:
  • the powders are mixed all at once and are mixed "by hand” with the mortar without pressing strongly on the pestle, so as to obtain a homogeneous mixture of the powders.
  • Hexagonal boron nitride has the advantage of being chemically inert towards carbon and boron, and said h-BN transmits force well because it is very ductile; h-BN is also a material exhibiting excellent thermal conduction properties and ideally as a container enables heat transfer to the contents to be effected efficiently.
  • the Paris-Edinburgh type presses were designed specifically for high pressure experiments in neutron sources, such as the ISIS spallation source in England. The design idea was to generate a maximum of force in a minimum of footprint in order to reduce the storage space of the press.
  • the Paris-Edinburgh press can generate a force of 500 kN to 4500 kN for a mass ranging from 10 kg to 90 kg, it is also easily removable, with parts not exceeding 20 kg, which facilitates its handling and transport.
  • FIG. 6 represents a sectional view of a Paris-Edinburgh press of the V3 type and makes it possible to simply illustrate its operating principle: a hydraulic fluid pressure is applied to the base of the piston (5) via a high pressure generator ( 4) (compressor, hand pump, etc.) connected to the press pot by a high pressure flexible tube.
  • the piston of different size depending on the type of press Paris Edinburgh (100 cm 2 for a V3), then pushes a lower seat (3) in tungsten carbide (CW) towards an upper seat also in carbide of tungsten, wrapped in a steel part (with a radial stress of 1 GPa), which transmits the force to 2 opposing anvils (6), the high pressure part is located between the anvils.
  • the force applied to the back faces of the anvils over a relatively large area is transmitted between the anvils over a much smaller area, causing the pressure to multiply.
  • Another type of press is also used, of the multi-anvil type, described in the article Zeitschrift für Kristaiiographie, 2004, 219, 330-338.
  • the capsules used with this type of device can have dimensions of the order of a centimeter in diameter.
  • the mixture is then subjected to a High Pressure and High Temperature treatment, also called HPHT treatment.
  • HPHT treatment also called HPHT treatment.
  • the pressure build-up step reached a value of 2 GPa or 5 GPa.
  • the pressure value is determined by the value of the primary pressure on the press pot, determined by a high pressure sensor (wika type HP-2-S sensor, 0.25 GPa bars) connected to the compressor, brought to values between 0.1 and 0.25 GPa.
  • the resistive heater is activated by the controlled passage of a direct current through the anvils.
  • This current is generated by an Elektronika 0-15 V and 0-200 A DC current generator, and the temperature is determined by the transmitted electric power as measured by the current generator, previously calibrated in preliminary experiments according to the temperature of the sample (with thermocouple in the center of the sample).
  • the temperature ramp is 125 ° C / minute.
  • the heating is then suddenly stopped (i.e. without a ramp), and the decompression takes place between 1 and 4 hours.
  • the final sample is thus recovered from the press and, after sonication of the sample obtained in a glass beaker under acetone in an ultrasonic bath marketed by the company Labo-Moderne TM under the reference SONOCLEAN SHE1501 for 6 minutes.
  • the sample produced as a result of the reaction of the powdered reaction mixture presented above is then separated from the boron nitride capsule which is, in turn, destroyed.
  • the sample obtained is then sieved, allowing the elimination of carbon.
  • the obtained alpha rhombohedral boron comes in two forms. Small aggregates of about 3 to 5 microns and larger aggregates with an average diameter of 50 to 250 microns. Aggregates with a diameter of about 3 to 5 microns may be tainted with many carbon impurities present in excess and unreacted. These 3 to 5 micron aggregates are removed by a first sieving with holes no larger than 5 microns. Aggregates larger than 50 microns having a degree of purity of at least 95% are subjected to a second pass through a sieve of the appropriate diameter for their extraction.
  • the powders thus recovered were characterized by Raman spectroscopy, the results are shown in FIG. 1.
  • the Raman spectra were collected for 3 minutes each, using the spectrometer marketed under the reference T64000 by the company Jobin-Yvon® ( Horiba Scientific).
  • Monochromatic light of wavelength 514.53 nm is generated by ionized argon used by a laser device marketed by the company Spectra Physics®.
  • An optical device makes it possible to route the beam of said laser to the sample composed of the sieved powder described above.
  • the mirrors are spaced on the editing table to minimize the angle of deflection.
  • the powders recovered at the end of the reaction, after sieving, were also characterized by X-ray diffraction using an X'Pert laboratory diffractometer marketed by the company PANalytical equipped with a copper source and a detector marketed under the reference XCelerator®, comprising “Bragg-Brentano” type optics in transmission.
  • the acquisition parameters are as follows: 0.04 ° Soller slits; 0.5 ° programmable s / it divergence, 1st incident antiscatter s Ht, 0.5 ° diffracted antiscatter s / it, fiiter iron.

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Abstract

The present invention relates to obtaining alpha-rhombohedral boron from a reagent comprising essentially boron, but in a form other than the alpha-rhombohedral form, such as boron in the amorphous state and/or in a crystalline state which may be beta-rhombohedral, tetragonal or even orthorhombic, taken, for example, in one of the beta and/or gamma phases of the boron.

Description

Description Description
Titre de l'invention : Préparation du bore alpha rhomboédrique en présence d’une source de carbone Title of the invention: Preparation of rhombohedral alpha boron in the presence of a carbon source
Domaine de l’invention Field of the invention
[0001] La présente invention est du domaine de la synthèse du bore alpha, et vise en particulier la préparation du bore alpha sous la forme qualifiée de bore rhomboédrique alpha. Plus particulièrement, la présente invention concerne l’obtention du bore rhomboédrique alpha à partir d’un réactif comportant essentiellement du bore, mais sous une autre forme que la forme rhomboédrique alpha, telle que le bore à l’état amorphe et/ou dans un état cristallin pouvant être soit rhomboédrique béta, soit tétragonal, voire orthorhombique, pris par exemple dans l’une des phases béta et/ou gamma du bore. The present invention is in the field of the synthesis of alpha boron, and relates in particular to the preparation of alpha boron in the qualified form of alpha rhombohedral boron. More particularly, the present invention relates to obtaining alpha rhombohedral boron from a reagent comprising essentially boron, but in another form than the alpha rhombohedral form, such as boron in the amorphous state and / or in a crystalline state which may be either rhombohedral beta, or tetragonal, or even orthorhombic, taken for example in one of the beta and / or gamma phases of boron.
Arrière-plan technologique Technological background
[0002] La phase thermodynamiquement stable du bore aux conditions ambiantes de pression et de température est la phase rhomboédrique béta lorsqu’elle est sous forme cristalline mais le bore peut exister également sous d’autres formes, par exemple sous forme amorphe. Le bore rhomboédrique béta est généralement obtenu à partir d’acide borique B2O3 en présence d’un métal réducteur, et est disponible dans le commerce. Les formes commerciales du bore sont le bore béta et le bore amorphe. Il n’y a pas de source commerciale où le bore alpha soit accessible en grande quantité et à coût comparable à celui du bore béta. [0003] Le bore dans sa phase alpha est en effet bien plus difficilement accessible, et les méthodes développées à ce jour mettent en œuvre des voies de synthèse incompatibles avec les normes d’hygiène et de sécurité préconisées pour une fabrication à l’échelle industrielle. Ainsi, il est décrit une synthèse de bore alpha dans un article publié en 1958 dans J. Am. Chem. Soc., 80, 2592, à partir du réactif toxique et corrosif BI3, sur une surface chauffée entre 800 et 1000°C. L’utilisation des réactifs BBr3 OU BCI3 est décrite dans la demande FR 2 178799 pour l’obtention de bore alpha, mais cette voie de synthèse souffre des mêmes inconvénients liés aux dangers d’utiliser les halogénures de bore. The thermodynamically stable phase of boron at ambient pressure and temperature conditions is the beta rhombohedral phase when it is in crystalline form, but boron can also exist in other forms, for example in amorphous form. Rhombohedral boron beta is generally obtained from boric acid B 2 O3 in the presence of a reducing metal, and is commercially available. The commercial forms of boron are beta boron and amorphous boron. There is no commercial source where alpha boron is available in large quantities and at a cost comparable to that of beta boron. Boron in its alpha phase is indeed much more difficult to access, and the methods developed to date use synthetic routes incompatible with the hygiene and safety standards recommended for manufacture on an industrial scale. . Thus, a synthesis of alpha boron is described in an article published in 1958 in J. Am. Chem. Soc., 80, 2592, from the toxic and corrosive reagent BI3, on a surface heated between 800 and 1000 ° C. The use of BBr3 OR BCI3 reagents is described in application FR 2 178799 for obtaining alpha boron, but this synthetic route suffers from the same drawbacks linked to the dangers of using boron halides.
[0004] D’autres voies de synthèse connues du bore alpha mettent en œuvre des métaux nobles et/ou des métaux lourds tels que le platine (Pt) ou le palladium (Pd), avec des rendements souvent faibles, comme cela est décrit dans l’article J. Phys. : Conf. Ser., 2008, 121, 042017. [0004] Other known routes for the synthesis of alpha boron use noble metals and / or heavy metals such as platinum (Pt) or palladium (Pd), with often low yields, as described in the article J. Phys. : Conf. Ser., 2008, 121, 042017.
[0005] Plus récemment, Il est décrit la synthèse de bore alpha à partir de bore rhomboédrique béta, publié dans Journal of Crystat Growth, 2011, 321, 162- 166. Cette préparation du bore alpha doit se faire en présence de platine (Pt) finement divisé, et dans une enceinte en Pt, voire en or (Au) ; aussi la mise en œuvre sur un site de production industriel d’un réacteur constitué de ces métaux nobles n’est pas envisageable, cette voie de synthèse est par conséquent incompatible avec la fabrication de pièces de grande taille comprenant du bore alpha et/ou avec des cadences de production imposant la manipulation de volumes importants de bore alpha. [0005] More recently, the synthesis of alpha boron from rhombohedral beta boron, published in Journal of Crystat Growth, 2011, 321, 162-166, is described. This preparation of alpha boron must be done in the presence of platinum (Pt ) finely divided, and in an enclosure in Pt, or even in gold (Au); also the implementation on an industrial production site of a reactor consisting of these noble metals is not possible, this synthetic route is therefore incompatible with the manufacture of large parts comprising alpha boron and / or with production rates requiring the handling of large volumes of alpha boron.
[0006] Le bore commercial, sous forme béta ou amorphe, est utile dans des domaines variés et est utilisé notamment en tant qu’absorbant neutronique dans les réacteurs nucléaires. Par exemple, une couche de bore recouvrant les pièces des réacteurs fait office de bouclier contre les radiations neutroniques. [0006] Commercial boron, in beta or amorphous form, is useful in various fields and is used in particular as a neutron absorber in nuclear reactors. For example, a layer of boron covering reactor parts act as a shield against neutron radiation.
[0007] En effet, l’endommagement sous irradiation, tel que décrit dans IEEE Transactions on Nudear Science, 2013, 60, 1740-1766, de cristaux contenant des icosaèdres B12, tels que le bore béta ou le bore alpha, est beaucoup moins sévère que dans d’autres matériaux à structure cristalline cubique tels que le silicium - ou à structure cristalline hexagonale - telle que le nitrure de gallium ou le nitrure de bore. Les atomes des icosaèdres, déplacés par l’irradiation, reviennent à leur position initiale par un mécanisme d’auto-guérison ( seif-heaiing ), comme indiqué dans Journal of So/id State Chemistry 2006, 179, 2791-2798 ; ibid, 2004, 177, 1619-1623 ; Journal of Physics and Chemistry of Soi id s, 2014, 75, 1054-1074. [0007] In fact, the damage under irradiation, as described in IEEE Transactions on Nudear Science, 2013, 60, 1740-1766, of crystals containing B12 icosahedra, such as beta boron or alpha boron, is much less. severe than in other materials with a cubic crystal structure such as silicon - or with a hexagonal crystal structure - such as gallium nitride or boron nitride. The atoms of the icosahedra, displaced by irradiation, return to their original position by a self-healing mechanism (seif-heaiing), as reported in Journal of So / id State Chemistry 2006, 179, 2791-2798; ibid, 2004, 177, 1619-1623; Journal of Physics and Chemistry of Soi id s, 2014, 75, 1054-1074.
[0008] Le bore alpha combine la résistance à l’irradiation décrite et des propriétés électroniques utiles dans l’utilisation au sein de semi-conducteurs. Cette combinaison de propriétés du bore alpha est exploitable dans de nombreuses applications. L’une de ces applications est le détecteur de neutrons à base de matériaux à l’état solide illustré dans le brevet américain US2015/0060680. L’accessibilité à la production de bore alpha en plus grande quantité doit permettre ainsi de faire des détecteurs de neutrons optimisés, et potentiellement faciliter la production de dosimètres individuels. [0008] Alpha boron combines the described radiation resistance and electronic properties useful for use in semiconductors. This combination of alpha boron properties can be used in many applications. One such application is the solid state materials neutron detector shown in US Patent US2015 / 0060680. Accessibility to the production of alpha boron in larger quantities should thus make it possible to make optimized neutron detectors, and potentially facilitate the production of individual dosimeters.
[0009] La présente invention vise à synthétiser du bore alpha d’une manière plus simple, sans recourir nécessairement à l’emploi de métaux nobles, et de ne pas mettre en oeuvre des réactifs nocifs ou dangereux. Elle est donc compatible avec une production à large échelle dans un environnement industriel. Résumé de l’invention The present invention aims to synthesize alpha boron in a simpler manner, without necessarily resorting to the use of noble metals, and not to use harmful or dangerous reagents. It is therefore compatible with large-scale production in an industrial environment. Summary of the invention
[0010] A cet effet, la présente invention concerne un procédé d’obtention du bore rhomboédrique alpha à partir d’une source de carbone et d’au moins une source de bore hormis le bore alpha rhomboédrique sélectionnée parmi au moins une des sources choisies parmi du bore amorphe, du bore cristallin lui-même sélectionné parmi du bore béta, du bore tétragonal et du bore gamma, sous une pression de 1 GPa à 5.5 GPa ; et à une température de 1000 °C à 2400 °C. To this end, the present invention relates to a process for obtaining alpha rhombohedral boron from a carbon source and at least one source of boron other than rhombohedral alpha boron selected from at least one of the selected sources. from amorphous boron, crystalline boron itself selected from beta boron, tetragonal boron and gamma boron, under a pressure of 1 GPa to 5.5 GPa; and at a temperature of 1000 ° C to 2400 ° C.
[0011] Les inventeurs ont démontré, en utilisant le procédé selon l’invention, que différentes phases du bore, hormis celles du bore alpha rhomboédrique lui- même, pouvaient conduire à la préparation de bore alpha rhomboédrique - en présence d’une source de carbone - avec un excellent degré de pureté non atteignable par les voies connues de l’état de l’art, et des rendements de conversion proches de 80 - 99 %. Le procédé selon l’invention est d’autant plus avantageux qu’il permet de s’affranchir de la présence de métaux tels que les métaux de transition, en particulier ceux de la colonne du nickel tel que le platine (Pt), ou des métaux alcalins ou alcalino-terreux tels que le magnésium (Mg). Avantageusement, le procédé selon l’invention ne met pas en œuvre du Pt ou du Mg. The inventors have demonstrated, using the process according to the invention, that different phases of boron, apart from those of alpha rhombohedral boron itself, could lead to the preparation of alpha rhombohedral boron - in the presence of a source of carbon - with an excellent degree of purity not attainable by the routes known in the state of the art, and conversion yields close to 80-99%. The process according to the invention is all the more advantageous as it makes it possible to dispense with the presence of metals such as transition metals, in particular those from the nickel column such as platinum (Pt), or alkali or alkaline earth metals such as magnesium (Mg). Advantageously, the method according to the invention does not use Pt or Mg.
[0012] Dans le procédé selon l’invention permettant d’obtenir du bore alpha rhomboédrique, la source de carbone est avantageusement sélectionnée parmi au moins l’un des éléments choisis entre du carbone amorphe, du diamant et du graphite. Préférentiellement la source de carbone est le carbone amorphe. Le carbone amorphe, permet de travailler - eu égard à la température réactionnelle dans le contexte de l’invention - à légèrement plus basse température (100 °C à 200 °C de moins), comparativement au graphite, ou au diamant qui est lui-même transformé en graphite à très haute température. In the method according to the invention making it possible to obtain rhombohedral alpha boron, the carbon source is advantageously selected from at least one of the elements chosen from amorphous carbon, diamond and graphite. Preferably, the carbon source is amorphous carbon. The amorphous carbon makes it possible to work - having regard to the reaction temperature in the context of the invention - at slightly more low temperature (100 ° C to 200 ° C cooler), compared to graphite, or diamond which is itself transformed into graphite at very high temperature.
[0013] Dans le procédé selon l’invention permettant d’obtenir du bore alpha rhomboédrique, la source de bore est avantageusement dans un état cristallin comprenant au moins l’un des systèmes cristallins sélectionné parmi le système réticulaire rhomboédrique béta, le système réticulaire tétragonal ou encore le système réticulaire orthorhombique. In the method according to the invention making it possible to obtain rhombohedral alpha boron, the boron source is advantageously in a crystalline state comprising at least one of the crystal systems selected from the beta rhombohedral reticular system, the tetragonal reticular system or the orthorhombic reticular system.
[0014] Dans le procédé selon l’invention la source de bore préférée est celle du bore rhomboédrique béta. Ainsi, la source de bore permettant d’obtenir le bore alpha rhomboédrique est exempte de ce dernier et est composée de bore rhomboédrique béta. In the process according to the invention, the preferred source of boron is that of rhombohedral beta boron. Thus, the source of boron for obtaining rhombohedral boron alpha is free of the latter and is composed of rhombohedral boron beta.
[0015] Le bore alpha rhomboédrique obtenu a la même composition isotopique que la source de bore initiale. À sa composition isotopique naturelle, la source de bore contient principalement deux isotopes : les noyaux 11B, en concentration molaire de 80,1 %, et les noyaux 10B, en concentration molaire de 19,9 %. La source de bore, notamment le bore béta, peut être enrichie jusqu’à au moins 99 % en isotope 10B, et à hauteur de 96 % de façon standard dans les produits commerciaux. Alternativement, la source de bore, notamment le bore béta, peut être enrichie en isotope 11B jusqu’à au moins 99 %. Le produit final (bore alpha rhomboédrique) pourra contenir n’importe quelle proportion des deux isotopes, entre plus de 99 % en isotopes 10B et moins de 1 % de 11B, jusqu’à moins de 1 % de noyaux 10B et plus de 99 % d’isotopes 11B. [0016] Afin de produire le bore alpha rhomboédrique en présence de bore amorphe et cristallin autre que le bore alpha rhomboédrique les réactifs mis en œuvre à cette fin sont avantageusement composés : The rhombohedral alpha boron obtained has the same isotopic composition as the initial boron source. At its natural isotopic composition, the boron source contains mainly two isotopes: 11 B nuclei, at a molar concentration of 80.1%, and 10 B nuclei, at a molar concentration of 19.9%. The source of boron, in particular beta boron, can be enriched up to at least 99% in isotope 10 B, and up to 96% as standard in commercial products. Alternatively, the source of boron, in particular beta boron, can be enriched in isotope 11 B up to at least 99%. The final product (rhombohedral alpha boron) may contain any proportion of the two isotopes, between more than 99% of 10 B isotopes and less than 1% of 11 B, up to less than 1% of 10 B nuclei and more 99% of isotopes 11 B. In order to produce rhombohedral alpha boron in the presence of amorphous and crystalline boron other than rhombohedral alpha boron, the reagents used for this purpose are advantageously composed:
- d’au moins 75 % de la source de bore exprimé en pourcentage molaire pris par rapport au nombre de moles total de l’ensemble desdits réactifs ; et- at least 75% of the boron source expressed as a molar percentage taken relative to the total number of moles of all of said reagents; and
- d’au plus 25 % de la source de carbone exprimé en pourcentage molaire pris par rapport au nombre de moles total de l’ensemble desdits réactifs. - not more than 25% of the carbon source expressed as a molar percentage taken relative to the total number of moles of all of said reagents.
Les inventeurs ont démontré que le mélange des ingrédients dans ces proportions relatives permettait d’obtenir les meilleurs rendements en conversion de la source de bore utilisée en bore alpha rhomboédrique ciblé. The inventors have demonstrated that mixing the ingredients in these relative proportions makes it possible to obtain the best conversion yields of the boron source used into targeted rhombohedral alpha boron.
[0017] Dans un mode de réalisation préféré de l’invention la source de bore est prise dans une teneur de 75 à 85% en pourcentage molaire et la source de carbone est prise dans une teneur de 15 à 25% en pourcentage molaire. Avantageusement, la source de bore est de 78 à 80% en pourcentage molaire et la source de carbone est de 20 à 22% en pourcentage molaire. [0017] In a preferred embodiment of the invention the source of boron is taken in a content of 75 to 85% by mole percentage and the source of carbon is taken in a content of 15 to 25% by mole percentage. Advantageously, the source of boron is 78 to 80% in molar percentage and the source of carbon is 20 to 22% in molar percentage.
La mise en œuvre du procédé selon l’invention comporte avantageusement au moins deux étapes. Dans une première étape i) on mélange les réactifs comprenant la source de bore et la source de carbone dans les proportions décrites précédemment. Dans une seconde étape ii) on soumet le mélange obtenu dans la première étape à une pression comprise entre 1 GPa et 5,5 GPa et à une température comprise entre 1000°C et 2400 °C. Sans être lié par la théorie à des pressions supérieures, il semble s’établir une compétition cinétique entre la formation de bore alpha rhomboédrique et la formation de carbures de bore, ce qui diminuerait d’autant la pureté et le rendement de conversion du bore alpha rhomboédrique susceptible d’être obtenu. [0018] Dans un mode de réalisation préféré de l’invention la source de bore est du bore béta et la source de carbone est du carbone amorphe, la pression utilisée est comprise entre 4 GPa et 5 GPa et la température est de 1200 °C à 2200 °C. The implementation of the method according to the invention advantageously comprises at least two steps. In a first step i) the reactants comprising the source of boron and the source of carbon are mixed in the proportions described above. In a second step ii) the mixture obtained in the first step is subjected to a pressure of between 1 GPa and 5.5 GPa and at a temperature of between 1000 ° C and 2400 ° C. Without being bound by theory to higher pressures, there seems to be a kinetic competition between the formation of rhombohedral alpha boron and the formation of boron carbides, which would decrease the purity and the conversion efficiency of alpha boron accordingly. rhombohedral likely to be obtained. In a preferred embodiment of the invention the source of boron is beta boron and the carbon source is amorphous carbon, the pressure used is between 4 GPa and 5 GPa and the temperature is 1200 ° C. at 2200 ° C.
[0019] Lors de la mise en œuvre de la seconde étape la montée en pression se fait avantageusement dans un premier temps en au moins 10 minutes à température ambiante puis elle est suivie d’une montée en température jusqu’à atteindre la plage de température réactionnelle définie dans l’étape ii) ci-avant, et de maintien de celle-ci de 1000 °C à 2400 °C, de préférence de 1200 °C à 2200 °C, de manière plus préférée de 1400 à 2000°C, voire de 1600 à 1800 °C, et ce pendant une durée d’au moins 2 h et n’excédant pas les 4 heures. During the implementation of the second step, the rise in pressure is advantageously done initially in at least 10 minutes at room temperature and then it is followed by a rise in temperature until the temperature range is reached. reaction defined in step ii) above, and maintaining the latter at 1000 ° C to 2400 ° C, preferably from 1200 ° C to 2200 ° C, more preferably from 1400 to 2000 ° C, or even from 1600 to 1800 ° C, for a period of at least 2 hours and not exceeding 4 hours.
Dans un mode de réalisation préféré le mélange est maintenu au moins 2 heures à une pression comprise entre 2 à 5 GPa. La température quant à elle est avantageusement maintenue entre 1000 et 1600 °C, plus préférentiellement entre 1200 et 1400 °C. In a preferred embodiment, the mixture is maintained for at least 2 hours at a pressure of between 2 to 5 GPa. The temperature for its part is advantageously maintained between 1000 and 1600 ° C, more preferably between 1200 and 1400 ° C.
[0020] Dans le but de séparer à la fin de la réaction le bore, la source de carbone en excès, et le bore alpha rhomboédrique obtenu, il est mis en œuvre avantageusement une étape de traitement iii), consécutive à l’étape ii), consistant à tamiser les produits obtenus. Laquelle étape de traitement comporte avantageusement une première étape de tamisage. Le premier tamis utilisé comprend avantageusement des trous d’un diamètre inférieur ou égal à 5 microns. A l’issu de ce premier tamisage, on va avantageusement de nouveau procéder à une seconde étape de tamisage sur un deuxième tamis dont les pores sont compris entre 50 et 250 microns. [0021] Avantageusement, le procédé selon l’invention comporte une étape finale iv) de dépôt par frittage des produits tamisés tels que décrit précédemment dans le cadre de l’invention, sur un support du type cellule de détecteur neutronique. Ainsi, le bore alpha rhomboédrique obtenu par la mise en œuvre du procédé selon l’invention peut être soumis à un procédé de frittage consistant à chauffer ledit bore alpha rhomboédrique sous forme de poudre sans la mener jusqu’à la fusion afin d’obtenir une pièce comprenant majoritairement du bore alpha rhomboédrique. Le produit résultant de ce frittage pouvant faire l’objet d’une cellule de détecteur, par exemple un détecteur de neutrons ou un dosimètre personnel. In order to separate at the end of the reaction the boron, the excess carbon source, and the rhombohedral alpha boron obtained, it is advantageously implemented a treatment step iii), subsequent to step ii ), consisting in sieving the products obtained. Which treatment step advantageously comprises a first sieving step. The first screen used advantageously comprises holes with a diameter less than or equal to 5 microns. At the end of this first sieving, a second sieving step will advantageously be carried out again on a second sieve the pores of which are between 50 and 250 microns. Advantageously, the method according to the invention comprises a final step iv) of deposition by sintering of the sieved products as described above in the context of the invention, on a support of the neutron detector cell type. Thus, the alpha rhombohedral boron obtained by implementing the method according to the invention can be subjected to a sintering process consisting in heating said alpha rhombohedral boron in powder form without leading it to melting in order to obtain a part mainly comprising rhombohedral alpha boron. The product resulting from this sintering can be the subject of a detector cell, for example a neutron detector or a personal dosimeter.
[0022] La pression mise en œuvre lors du procédé de frittage étant réalisée sous une pression comprise entre 1 GPa et 5 GPa et à une température comprise entre 1100°C et 1300 °C. The pressure implemented during the sintering process being carried out under a pressure between 1 GPa and 5 GPa and at a temperature between 1100 ° C and 1300 ° C.
[0023] Un autre objet de l’invention correspond à du bore alpha rhomboédrique présentant un degré de pureté d’au moins 95 %. Ledit bore alpha rhomboédrique obtenu par le procédé de l’invention comprenant un agrégat de particules constitué de bore alpha rhomboédrique dont le diamètre est compris entre 50 et 250 microns. Another object of the invention corresponds to rhombohedral alpha boron having a degree of purity of at least 95%. Said rhombohedral alpha boron obtained by the process of the invention comprising an aggregate of particles consisting of rhombohedral alpha boron, the diameter of which is between 50 and 250 microns.
[0024] Un autre objet de l’invention consiste en des dispositifs électroniques comprenant du bore alpha rhomboédrique conférant audit dispositif le caractère de dispositifs électroniques dits durcis. Another object of the invention consists of electronic devices comprising rhombohedral alpha boron giving said device the character of so-called hardened electronic devices.
[0025] Plus particulièrement, la présente invention concerne également l’utilisation du bore alpha rhomboédrique obtenu selon le procédé décrit précédemment dans le cadre de l’invention dans des cellules solaires pour le photovoltaïque en remplacement du semiconducteur polycristallin, ou dans l’électronique durcie utilisée dans le spatial, le nucléaire ou la défense. En effet, les semiconducteurs de structure cubique ou hexagonale soumis à de l’irradiation présentent des niveaux d’énergie dans la bande interdite à cause de l’endommagement par déplacement d’atomes, ce qui modifie leurs propriétés électroniques. Les structures atomique et électronique du bore alpha rhomboédrique sont moins altérées par l’irradiation : la production de bore alpha rhomboédrique en plus grande quantité ouvre ainsi la voie à la fois vers la production de cellules solaires pour le spatial ou la défense, et vers la production d’une électronique durcie, à base de bore alpha rhomboédrique. More particularly, the present invention also relates to the use of rhombohedral alpha boron obtained according to the method described above in the context of the invention in solar cells for photovoltaics. as a replacement for the polycrystalline semiconductor, or in hardened electronics used in space, nuclear or defense. In fact, semiconductors of cubic or hexagonal structure subjected to irradiation exhibit energy levels in the forbidden band due to damage by displacement of atoms, which modifies their electronic properties. The atomic and electronic structures of rhombohedral alpha boron are less altered by irradiation: the production of rhombohedral alpha boron in greater quantity thus opens the way both towards the production of solar cells for space or defense, and towards the production of a hardened electronics, based on rhombohedral alpha boron.
[0026] Le bore alpha rhomboédrique obtenu selon le procédé de l’invention a un degré de pureté proche de celui de la source de bore initiale, et de façon standard supérieur à 95 %. Selon le degré de pureté de la source de bore initiale, il peut donc présenter différentes nuances comme celles que l’on rencontre pour les matériaux comme le carbure de silicium, à savoir des nuances de type métallurgique (metallurgical grade), de type solaire (solar grade) pour des applications de type cellules solaires pour le photovoltaïque en environnement hostile, ou encore une nuance électronique (electronic grade) pour des applications de microélectronique propice à une utilisation en environnement hostile. [0026] The rhombohedral alpha boron obtained according to the process of the invention has a degree of purity close to that of the initial boron source, and in a standard manner greater than 95%. Depending on the degree of purity of the initial boron source, it can therefore have different shades such as those found for materials such as silicon carbide, namely metallurgical grade (metallurgical grade), solar type ( solar grade) for solar cell type applications for photovoltaics in a hostile environment, or an electronic grade (electronic grade) for microelectronic applications suitable for use in a hostile environment.
[0027] Le bore alpha rhomboédrique obtenu selon le procédé de l’invention peut également être utilisé en remplacement du silicium dans les dispositifs SOI « Silicon on insuiator» nommé également silicium sur isolant qui est une structure constituée d'un empilement d'une couche de silicium (de 50 nm à quelques pm d'épaisseur) sur une couche d'isolant. Cet isolant peut être du saphir ( siiicon-on-sapphire ), de l'air (si/icon-on-nothing) ou du dioxyde de silicium (S1O2). Cette technologie est une alternative prometteuse au silicium brut dans la réalisation de transistors opérant à de hautes fréquences. Le bore alpha rhomboédrique obtenu selon le procédé de l’invention peut également être utilisé en lieu et place de l’isolant qu’il soit sous forme de S1O2 ou de silicium sur saphir. La présence de bore alpha rhomboédrique renforçant la protection desdits transistors. The rhombohedral alpha boron obtained according to the method of the invention can also be used as a replacement for silicon in SOI devices "Silicon on insuiator" also called silicon on insulator which is a structure consisting of a stack of a layer silicon (50 nm to a few µm thick) on an insulator layer. This insulator can be sapphire (siiicon-on-sapphire), air (si / icon-on-nothing) or carbon dioxide. silicon (S1O2). This technology is a promising alternative to raw silicon in the production of transistors operating at high frequencies. The rhombohedral alpha boron obtained according to the process of the invention can also be used instead of the insulator, whether in the form of S1O2 or of silicon on sapphire. The presence of rhombohedral alpha boron reinforcing the protection of said transistors.
Description détaillée de l’invention Detailed description of the invention
[0028] Le bore alpha rhomboédrique se présente généralement sous la forme de cristaux rouges clairs. Le bore rouge alpha rhomboédrique est un semi- conducteur élémentaire. Il a été découvert que cet allotrope du bore, contrairement à d'autres matériaux utilisés dans les détecteurs de neutrons, a une sensibilité unitaire-volume élevée qui ne peut pas être atteinte par d'autres matériaux utilisés dans les détecteurs de neutrons. Potentiellement, les détecteurs de neutrons à l'état solide au bore alpha rhomboédrique ont une sensibilité de détection des neutrons pouvant être plus de 500 fois supérieure à celle des détecteurs fabriqués à partir de semi-conducteurs ou des détecteurs de neutrons à trifluorure de bore ou à scintillation au lithium- 6. Rhombohedral alpha boron is generally in the form of clear red crystals. Rhombohedral alpha red boron is an elemental semiconductor. It has been discovered that this boron allotrope, unlike other materials used in neutron detectors, has a high unit-volume sensitivity which cannot be achieved by other materials used in neutron detectors. Potentially, alpha rhombohedral boron solid state neutron detectors have a neutron detection sensitivity that can be over 500 times that of detectors made from semiconductor or boron trifluoride neutron detectors or lithium scintillation 6.
[0029] Leur efficacité comme détecteur de neutrons vient du fait que les neutrons absorbés par les atomes 10B du bore alpha rhomboédrique entraînent la génération de millions de paires électron-trou qui peuvent être balayées à travers le corps de l'appareil par un champ électrique appliqué, puis collectées pour produire une impulsion électronique qui peut être mesurée quantitativement avec une grande sensibilité avec des instruments électroniques standard. Les détecteurs de neutrons au bore alpha rhomboédrique peuvent fonctionner à des températures élevées tout en conservant une grande mobilité des porteurs et une durée de vie élevée. Their efficiency as a neutron detector comes from the fact that the neutrons absorbed by the 10 B atoms of rhombohedral alpha boron cause the generation of millions of electron-hole pairs which can be scanned through the body of the device by a field applied, then collected to produce an electronic pulse that can be quantitatively measured with high sensitivity with standard electronic instruments. Alpha boron neutron detectors rhombohedral can operate at high temperatures while maintaining high wearer mobility and high service life.
[0030] Les phases du bore autres que la forme alpha rhomboédrique, sont de mauvais semi-conducteurs parce qu’elles ont, dans la bande interdite, de nombreux niveaux profonds de défauts qui piègent les charges électriques, ou que leur spectre d’absorption optique présente une queue de Urbach avant le seuil d’absorption. Le bore rhomboédrique alpha, toutefois, ne souffre pas de ce désavantage et présente, de ce fait, les propriétés électroniques d’un semi-conducteur élémentaire dont la bande interdite électronique ne contient pas de défauts ponctuels. The phases of boron other than the rhombohedral alpha form, are bad semiconductors because they have, in the forbidden band, many deep levels of defects which trap electric charges, or because their absorption spectrum optic presents an Urbach tail before the absorption threshold. Rhombohedral boron alpha, however, does not suffer from this disadvantage and therefore exhibits the electronic properties of an elemental semiconductor whose electronic bandgap does not contain point defects.
[0031] Ainsi disposer facilement de grandes quantités de bore alpha rhomboédrique susceptibles d’être obtenus par des techniques non polluantes, aisément applicable industriellement ou ayant un coût faible, constitue un avantage de l’invention. Thus easily having large quantities of rhombohedral alpha boron capable of being obtained by non-polluting techniques, easily applicable industrially or having a low cost, constitutes an advantage of the invention.
[0032] L’invention est également illustrée par des figures : The invention is also illustrated by figures:
La Figure 1 illustre trois spectres de diffusion Raman utilisant une source laser de 514,53 nm, du bore alpha rhomboédrique obtenu par le procédé selon l’invention à 5 GPa aux températures respectives de 1800 °C, 1400 °C et 1200 °C. Figure 1 illustrates three Raman scattering spectra using a 514.53 nm laser source of rhombohedral alpha boron obtained by the process according to the invention at 5 GPa at the respective temperatures of 1800 ° C, 1400 ° C and 1200 ° C.
La Figure 2 illustre le spectre de diffraction de rayons X utilisant une source de cuivre, d’un cristal de bore alpha rhomboédrique obtenu selon le procédé de l’invention à 5 GPa et 1200 °C. Figure 2 illustrates the X-ray diffraction spectrum using a copper source, of a rhombohedral alpha boron crystal obtained by the method of the invention at 5 GPa and 1200 ° C.
La Figure 3 illustre le spectre de diffraction de rayons X, utilisant une source de cuivre, du réactif initial, le bore béta. L’encart de la figure 3 illustre la superposition de ce spectre de diffraction de rayons X du réactif initial (bore béta) comprenant au moins 5 pics de forte intensité relative, entre 2000 a.u et 4000 a.u. (arbitray unit ou unité arbitraire) avec le spectre de bore alpha rhomboédrique obtenu selon le procédé de l’invention, à 5 GPa et 1200 °C, ledit produit final comprenant quant à lui deux pics de forte intensité relative. Figure 3 illustrates the X-ray diffraction spectrum, using a source of copper, of the initial reagent, beta boron. The inset in Figure 3 illustrates the superposition of this X-ray diffraction spectrum of the initial reagent (beta boron) comprising at least 5 peaks of high relative intensity, between 2000 a.u and 4000 a.u. (arbitray unit) with the rhombohedral alpha boron spectrum obtained according to the process of the invention, at 5 GPa and 1200 ° C, said final product comprising two peaks of high relative intensity.
Les figures 4 et 5 montrent les dimensions de capsules utilisées, ainsi que leurs couvercles permettant l’étanchéité, dans les presses de type Paris- Edimbourg. Figures 4 and 5 show the dimensions of capsules used, as well as their sealing lids, in Paris-Edinburgh type presses.
La Figure 6 représente un schéma en coupe de ladite presse Paris-Edimbourg. Ladite presse comprenant l’échantillon à traiter compris entre les enclumes (6) soutenues par les sièges supérieurs et inférieurs (3). La presse fonctionnant grâce à la pression hydraulique exercée par un dispositif de pompe à huile reliée à l’arrivée de pression (4), le piston (5) permettant lorsqu’il se déplace le long de la colonne (2) de fermer le dispositif qui arrive en butée sur le plateau (1) maintenu immobile par les écrous (8). PARTIE EXPERIMENTALE Figure 6 shows a sectional diagram of said Paris-Edinburgh press. Said press comprising the sample to be treated included between the anvils (6) supported by the upper and lower seats (3). The press operating thanks to the hydraulic pressure exerted by an oil pump device connected to the pressure inlet (4), the piston (5) allowing when it moves along the column (2) to close the device which comes into abutment on the plate (1) held stationary by the nuts (8). EXPERIMENTAL PART
[0033] Réactifs : ils sont utilisés sous forme pulvérulente. Pour le bore, la source utilisée est le bore béta commercialisé par la société Prolabo® sous une référence présentant un degré de pureté de 99,9 %, et du carbone amorphe commercialisé par la société Sigma-Aldrich® sous une référence présentant un degré de pureté de 99,95 %. Reagents: they are used in powder form. For boron, the source used is beta boron sold by the company Prolabo® under a reference exhibiting a degree of purity of 99.9%, and amorphous carbon sold by the company Sigma-Aldrich® under a reference exhibiting a degree of purity. 99.95% purity.
[0034] De manière alternative, du diamant ou du graphite peuvent être utilisés, le diamant se convertissant en graphite suivant le procédé à haute température détaillé ci-après. Alternatively, diamond or graphite can be used, the diamond being converted into graphite according to the high temperature process detailed below.
[0035] A/ Les réactifs (source de bore et source de carbone) sont préalablement mélangés au mortier pendant 5 minutes avec les proportions suivantes :A / The reagents (source of boron and source of carbon) are mixed beforehand with the mortar for 5 minutes with the following proportions:
- 80 % de la source de bore exprimé en pourcentage molaire ; et - 80% of the boron source expressed as a molar percentage; and
- 20 % de la source de carbone exprimé en pourcentage molaire. - 20% of the carbon source expressed as a molar percentage.
Les poudres sont mélangées en une seule fois et on mélange « à la main » au mortier sans appuyer fortement sur le pilon, de sorte à obtenir un mélange homogène des poudres. The powders are mixed all at once and are mixed "by hand" with the mortar without pressing strongly on the pestle, so as to obtain a homogeneous mixture of the powders.
B / Le mélange obtenu en A/ est mis dans une capsule de nitrure de bore hexagonal et l’assemblage résultant est inséré dans une presse hydraulique gros volume de type Paris-Edimbourg (PE), décrit dans l’article High Pressure Research, 2003, 23, 281-287 ; des enclumes pour joint de 10 mm sont utilisées avec une capsule en nitrure de bore hexagonal (h-BN) présentant les dimensions montrées sur la figure 4. Un chapeau est ajouté, quand la capsule est remplie de réactifs (l’étanchéité se fait ensuite par la pression, voir figure 5 pour les dimensions). Il est également possible d’utiliser des enclumes de PE pour joints de 16 mm, avec une capsule de 4,5 mm de haut, 7 mm de diamètre externe, 6,6 mm de diamètre interne. L’échantillon final présente un volume d’environ 130 mm3. B / The mixture obtained in A / is placed in a hexagonal boron nitride capsule and the resulting assembly is inserted into a large volume hydraulic press of the Paris-Edinburgh (PE) type, described in the article High Pressure Research, 2003 , 23, 281-287; 10mm joint anvils are used with a hexagonal boron nitride (h-BN) capsule having the dimensions shown in figure 4. A cap is added, when the capsule is filled with reagents (sealing is then done by pressure, see figure 5 for dimensions). It is also possible to use PE anvils for 16mm joints, with capsule 4.5mm high, 7mm outer diameter, 6.6mm inner diameter. The final sample has a volume of approximately 130 mm 3 .
Le nitrure de bore hexagonal (h-BN) présente l’avantage d’être inerte chimiquement vis-à-vis du carbone et du bore, et ledit h-BN transmet bien la force car il est très ductile ; le h-BN est également un matériau présentant d’excellentes propriétés de conduction thermique et permet idéalement en tant que contenant d’opérer efficacement un transfert de chaleur au contenu. Développée à la fin des années 1980, les presses de type Paris-Edimbourg ont été conçues spécialement pour les expériences haute pression dans les sources de neutrons, comme la source à spallation ISIS en Angleterre. L’idée de conception était de générer un maximum de force dans un minimum d’encombrement afin de réduire l’espace de stockage de la presse. Selon les versions, la presse Paris-Edimbourg peut générer une force de 500 kN à 4500 kN pour une masse allant de 10 kg à 90 kg, elle est en outre facilement démontable, avec des pièces ne dépassant pas les 20 kg, ce qui facilite sa manipulation et son transport. Associée à des enclumes au design optimisé, elle peut porter un échantillon de plusieurs dizaines de mm3 à une pression de 15 GPa et à des températures allant de 2 K à 3000 K avec un cryostat ou des fours tubulaires résistifs dans le joint où se trouve l’échantillon. La figure 6 représente une vue en coupe d’une presse Paris-Edimbourg de type V3 et permet d’illustrer simplement son principe de fonctionnement : une pression de fluide hydraulique est appliquée à la base du piston (5) via un générateur haute pression (4) (compresseur, pompe à main...) relié au pot de presse par un tube flexible haute pression. Le piston, de taille différente selon le type de presse Paris Edimbourg (100 cm2 pour une V3), pousse alors un siège inférieur (3) en carbure de tungstène (CW) vers un siège supérieur également en carbure de tungstène, fretté dans une pièce en acier (avec une contrainte radiale de 1 GPa), qui transmet la force à 2 enclumes (6) opposées, la partie haute pression est située entre les enclumes. La force appliquée aux faces arrière des enclumes sur une surface relativement grande est transmise entre les enclumes sur une surface beaucoup plus faible, ce qui engendre la multiplication de la pression. Hexagonal boron nitride (h-BN) has the advantage of being chemically inert towards carbon and boron, and said h-BN transmits force well because it is very ductile; h-BN is also a material exhibiting excellent thermal conduction properties and ideally as a container enables heat transfer to the contents to be effected efficiently. Developed in the late 1980s, the Paris-Edinburgh type presses were designed specifically for high pressure experiments in neutron sources, such as the ISIS spallation source in England. The design idea was to generate a maximum of force in a minimum of footprint in order to reduce the storage space of the press. Depending on the version, the Paris-Edinburgh press can generate a force of 500 kN to 4500 kN for a mass ranging from 10 kg to 90 kg, it is also easily removable, with parts not exceeding 20 kg, which facilitates its handling and transport. Associated with optimized design anvils, it can carry a sample of several tens of mm 3 at a pressure of 15 GPa and at temperatures ranging from 2 K to 3000 K with a cryostat or resistive tube furnaces in the joint where is located sample. FIG. 6 represents a sectional view of a Paris-Edinburgh press of the V3 type and makes it possible to simply illustrate its operating principle: a hydraulic fluid pressure is applied to the base of the piston (5) via a high pressure generator ( 4) (compressor, hand pump, etc.) connected to the press pot by a high pressure flexible tube. The piston, of different size depending on the type of press Paris Edinburgh (100 cm 2 for a V3), then pushes a lower seat (3) in tungsten carbide (CW) towards an upper seat also in carbide of tungsten, wrapped in a steel part (with a radial stress of 1 GPa), which transmits the force to 2 opposing anvils (6), the high pressure part is located between the anvils. The force applied to the back faces of the anvils over a relatively large area is transmitted between the anvils over a much smaller area, causing the pressure to multiply.
Un autre type de presse est aussi utilisé, de type multi-enclumes, décrit dans l’article Zeitschrift für Kristaiiographie, 2004, 219, 330-338. Les capsules utilisées avec ce type d’appareil peuvent présenter des dimensions de l’ordre du centimètre de diamètre. Another type of press is also used, of the multi-anvil type, described in the article Zeitschrift für Kristaiiographie, 2004, 219, 330-338. The capsules used with this type of device can have dimensions of the order of a centimeter in diameter.
Dans tous les cas le mélange est ensuite soumis à un traitement Haute Pression et Haute Température, également nommé traitement HPHT. In all cases, the mixture is then subjected to a High Pressure and High Temperature treatment, also called HPHT treatment.
[0036] L’étape de montée en pression a atteint une valeur de 2 GPa ou de 5 GPa. La valeur de la pression est déterminée par la valeur de la pression primaire sur le pot de presse, déterminée par un capteur haute pression (capteur wika de type HP-2-S, 0,25 GPa bars) relié au compresseur, portée à des valeurs entre 0,1 et 0,25 GPa. The pressure build-up step reached a value of 2 GPa or 5 GPa. The pressure value is determined by the value of the primary pressure on the press pot, determined by a high pressure sensor (wika type HP-2-S sensor, 0.25 GPa bars) connected to the compressor, brought to values between 0.1 and 0.25 GPa.
[0037] Une fois que l'échantillon est à la pression cible de 5 GPa, comme montré sur la figure 2, le chauffage résistif est actionné par le passage contrôlé d’un courant continu à travers les enclumes. Ce courant est généré par un générateur de courant DC Elektronika 0-15 V et 0-200 A, et la température est déterminée par la puissance électrique transmise telle que mesurée par le générateur de courant, préalablement calibrée lors d’expériences préliminaires en fonction de la température de l’échantillon (avec thermocouple au centre de l’échantillon). [0038] La rampe de température est de 125 °C / minute. Une fois la température cible atteinte, de 1200 °C comme montré sur la figure 2, la température est maintenue constante pendant une période comprise entre 1 à 4 heures. Once the sample is at the target pressure of 5 GPa, as shown in Figure 2, the resistive heater is activated by the controlled passage of a direct current through the anvils. This current is generated by an Elektronika 0-15 V and 0-200 A DC current generator, and the temperature is determined by the transmitted electric power as measured by the current generator, previously calibrated in preliminary experiments according to the temperature of the sample (with thermocouple in the center of the sample). The temperature ramp is 125 ° C / minute. Once the target temperature has been reached, of 1200 ° C as shown in Figure 2, the temperature is kept constant for a period of between 1 to 4 hours.
[0039] Le chauffage est ensuite brutalement arrêté (i.e. sans rampe), et la décompression s’opère entre 1 et 4 heures. L’échantillon final est ainsi récupéré de la presse et, après sonication de l’échantillon obtenu dans un bêcher en verre sous acétone dans un bain à ultrasons commercialisé par la société Labo-Moderne™ sous la référence SONOCLEAN SHE1501 pendant 6 minutes. L’échantillon produit à l’issu de la réaction du mélange réactionnel pulvérulent présenté précédemment, est ensuite séparé de la capsule de nitrure de bore qui est, quant à elle, détruite. The heating is then suddenly stopped (i.e. without a ramp), and the decompression takes place between 1 and 4 hours. The final sample is thus recovered from the press and, after sonication of the sample obtained in a glass beaker under acetone in an ultrasonic bath marketed by the company Labo-Moderne ™ under the reference SONOCLEAN SHE1501 for 6 minutes. The sample produced as a result of the reaction of the powdered reaction mixture presented above is then separated from the boron nitride capsule which is, in turn, destroyed.
[0040] L’échantillon obtenu est ensuite tamisé, permettant l’élimination du carbone. A l’issu de la réaction, le bore alpha rhomboédrique obtenu se présente sous deux formes. De petits agrégats d’environ 3 à 5 microns et des agrégats plus gros dont le diamètre moyen est compris entre 50 et 250 microns. Les agrégats dont le diamètre est d’environ 3 à 5 microns peuvent être entachées de nombreuses impuretés de carbone présent en excès et n’ayant pas réagi. Ces agrégats de 3 à 5 microns sont éliminés par un premier tamisage avec des trous n’excédant pas 5 microns. Les agrégats plus gros au-delà de 50 microns ayant un degré de pureté d’au moins 95% font l’objet d’un second passage sur un tamis avec le diamètre adéquat permettant leur extraction. [0040] The sample obtained is then sieved, allowing the elimination of carbon. At the end of the reaction, the obtained alpha rhombohedral boron comes in two forms. Small aggregates of about 3 to 5 microns and larger aggregates with an average diameter of 50 to 250 microns. Aggregates with a diameter of about 3 to 5 microns may be tainted with many carbon impurities present in excess and unreacted. These 3 to 5 micron aggregates are removed by a first sieving with holes no larger than 5 microns. Aggregates larger than 50 microns having a degree of purity of at least 95% are subjected to a second pass through a sieve of the appropriate diameter for their extraction.
[0041] A partir de 2,46 g de bore béta, près de 1 cm3 de bore alpha rhomboédrique est obtenu en moyenne, ce qui correspond à environ 2.46g de bore alpha rhomboédrique. Ce qui est un avantage de l’invention, car obtenir une telle quantité de bore alpha rhomboédrique par les voies chimiques classiques serait plus compliqué et nécessiterait des purifications successives pour éliminer des métaux permettant la synthèse dudit bore, ce qui diminuerait d’autant le rendement d’obtention de celui-ci. From 2.46 g of beta boron, nearly 1 cm 3 of rhombohedral alpha boron is obtained on average, which corresponds to approximately 2.46g of rhombohedral alpha boron. This is an advantage of the invention, since obtaining such a quantity of rhombohedral alpha boron by conventional chemical routes would be more complicated and would require successive purifications to remove metals allowing the synthesis of said boron, which would correspondingly decrease the yield of obtaining the latter.
[0042] Les poudres ainsi récupérées ont été caractérisées par spectroscopie Raman, les résultats sont reportés en figure 1. Les spectres Raman ont été collectés pendant 3 minutes chacun, en utilisant le spectromètre commercialisé sous la référence T64000 par la société Jobin-Yvon® (Horiba Scientific). Une lumière monochromatique de longueur d’onde 514,53 nm est générée par de l’argon ionisé mis en oeuvre par un dispositif laser commercialisé par la société Spectra Physics®. Un dispositif optique permet d’acheminer le faisceau dudit laser jusqu’à l’échantillon composé de la poudre tamisée décrite ci-dessus. Les miroirs sont espacés sur la table de montage afin d’amoindrir au maximum l’angle de déviation. The powders thus recovered were characterized by Raman spectroscopy, the results are shown in FIG. 1. The Raman spectra were collected for 3 minutes each, using the spectrometer marketed under the reference T64000 by the company Jobin-Yvon® ( Horiba Scientific). Monochromatic light of wavelength 514.53 nm is generated by ionized argon used by a laser device marketed by the company Spectra Physics®. An optical device makes it possible to route the beam of said laser to the sample composed of the sieved powder described above. The mirrors are spaced on the editing table to minimize the angle of deflection.
[0043] Principe de la spectrométrie Raman - Laser : des collimateurs sont disposés entre les miroirs pour s’assurer que la lumière est réfléchie dans la bonne direction. Avant d’arriver jusqu’au microscope, un filtre en verre opaque est disposé sur le chemin du faisceau pour atténuer l’intensité du rayonnement. Deux autres filtres sont utilisés : un filtre plasma pour éviter le rayonnement parasite du gaz ionisé, et un « pinhole » qui focalise à nouveau la lumière. Un miroir semi-réfléchissant permet de faire nos mesures en rétrodiffusion : une partie du rayonnement est réfléchie et vient frapper l’échantillon, puis suit le chemin inverse avant de pénétrer, une fois transmise, dans le spectromètre pour analyse. Principle of Raman - Laser spectrometry: collimators are placed between the mirrors to ensure that the light is reflected in the right direction. Before reaching the microscope, an opaque glass filter is placed in the beam path to reduce the intensity of the radiation. Two other filters are used: a plasma filter to avoid the parasitic radiation of the ionized gas, and a "pinhole" which focuses the light again. A semi-reflecting mirror is used to make our backscattering measurements: part of the radiation is reflected and strikes the sample, then follows the reverse path before entering, once transmitted, into the spectrometer for analysis.
[0044] Le résultat reporté en figure 1 démontre que seul le bore alpha rhomboédrique est présent dans le mélange réactionnel en fin de réaction, et que le spectre est conforme à la description du spectre Raman du bore alpha rhomboédrique donné dans la littérature, en particulier dans l’article Phys. Rev. Lett. 1997, 78, 693-696. The result reported in Figure 1 demonstrates that only the rhombohedral alpha boron is present in the reaction mixture at the end of the reaction, and that the spectrum conforms to the description of the Raman spectrum of boron rhombohedral alpha given in the literature, in particular in the article Phys. Rev. Lett. 1997, 78, 693-696.
Les poudres récupérées en fin de réaction, après tamisage, ont également été caractérisées par diffraction de rayons X en utilisant un diffractomètre de laboratoire X'Pert commercialisé par la société PANalytical équipé d’une source au cuivre et d’un détecteur commercialisé sous la référence XCelerator®, comportant les optiques de type « Bragg-Brentano » en transmission. Les paramètres d’acquisition étant les suivants : 0,04 ° Soller slits ; 0,5 ° programmable divergence s/it, 1 ° incident antiscatter s Ht, 0,5 ° diffracted antiscatter s/it, fiiter iron. The powders recovered at the end of the reaction, after sieving, were also characterized by X-ray diffraction using an X'Pert laboratory diffractometer marketed by the company PANalytical equipped with a copper source and a detector marketed under the reference XCelerator®, comprising “Bragg-Brentano” type optics in transmission. The acquisition parameters are as follows: 0.04 ° Soller slits; 0.5 ° programmable s / it divergence, 1st incident antiscatter s Ht, 0.5 ° diffracted antiscatter s / it, fiiter iron.
[0045] Le résultat reporté en figure 2 montre que les pics de diffraction sont tous caractéristiques du bore alpha rhomboédrique en comparaison avec les données cristallographiques de la littérature, par exemple celles reportées par Wyckoff, R. W. G., dans le livre Crystai structures, 1963, 1, 7-83 (deuxième édition, Interscience Publishers, New York). On prouve ainsi que très majoritairement du bore alpha rhomboédrique est synthétisé par la mise en œuvre du procédé selon l’invention. The result reported in Figure 2 shows that the diffraction peaks are all characteristic of rhombohedral alpha boron in comparison with the crystallographic data in the literature, for example those reported by Wyckoff, RWG, in the book Crystai structures, 1963, 1 , 7-83 (second edition, Interscience Publishers, New York). It is thus proved that the overwhelming majority of rhombohedral alpha boron is synthesized by implementing the process according to the invention.
[0046] Quant à la figure 3, le diagramme de diffraction du réactif initial est représenté (bore béta commercial de ProLabo®, de pureté 99,9 %), et sa superposition avec le produit final de la figure 2. On établit ainsi que la transformation du bore béta en bore alpha rhomboédrique a bien eu lieu. As for Figure 3, the diffraction diagram of the initial reagent is shown (commercial beta boron from ProLabo®, purity 99.9%), and its superposition with the final product of Figure 2. It is thus established that the transformation of beta boron into rhombohedral alpha boron has indeed taken place.

Claims

Revendications Claims
Revendication 1. Procédé d’obtention du bore rhomboédrique alpha à partir d’une source de carbone et d’au moins une source de bore sélectionnée parmi au moins une des sources choisies entre du bore amorphe, du bore cristallin incluant du bore béta, du bore gamma, du bore tétragonal sous une pression de 1 GPa à 5.5 GPa et à une température de 1000 à 2400 °C. Claim 1. Process for obtaining alpha rhombohedral boron from a carbon source and at least one source of boron selected from at least one of the sources selected from amorphous boron, crystalline boron including beta boron, gamma boron, tetragonal boron under a pressure of 1 GPa to 5.5 GPa and at a temperature of 1000 to 2400 ° C.
Revendication 2. Procédé d’obtention du bore rhomboédrique alpha selon la revendication 1, dans lequel la source de carbone est sélectionnée parmi au moins un des éléments choisis entre du carbone amorphe, du diamant et du graphite. Claim 2. A method of obtaining alpha rhombohedral boron according to claim 1, wherein the carbon source is selected from at least one of the elements selected from amorphous carbon, diamond and graphite.
Revendication 3. Procédé d’obtention du bore rhomboédrique alpha selon l’une des revendications 1 à 2, dans lequel la source de carbone est du carbone amorphe. Claim 3. A process for obtaining alpha rhombohedral boron according to one of claims 1 to 2, wherein the carbon source is amorphous carbon.
Revendication 4. Procédé d’obtention du bore rhomboédrique alpha selon l’une des revendications 1 à 3, dans lequel la source de bore est dans un état cristallin comprenant au moins l’un des systèmes cristallins sélectionné parmi le système réticulaire rhomboédrique, le système réticulaire tétragonal et le système réticulaire orthorhombique. Claim 4. A process for obtaining alpha rhombohedral boron according to one of claims 1 to 3, in which the source of boron is in a crystalline state comprising at least one of the crystal systems selected from the rhombohedral reticular system, the system. Tetragonal reticular and orthorhombic reticular system.
Revendication 5. Procédé d’obtention du bore rhomboédrique alpha selon l’une des revendications 1 à 4, dans lequel la source de bore est du bore rhomboédrique béta. Claim 5. A process for obtaining alpha rhombohedral boron according to one of claims 1 to 4, wherein the source of boron is beta rhombohedral boron.
Revendication 6. Procédé d’obtention du bore rhomboédrique alpha selon l’une des revendications 1 à 5, dans lequel la source de bore comporte l’isotope 10B dans une teneur molaire comprise entre 19,9 et 99 %. Revendication 7. Procédé d’obtention du bore alpha rhomboédrique selon l’une des revendications 1 à 5, dans lequel la source de bore comporte l’isotope 11B dans une teneur molaire de 80,1 à 99 %. Claim 6. A method of obtaining alpha rhombohedral boron according to one of claims 1 to 5, wherein the boron source comprises the isotope 1 0 B in a molar content of between 19.9 and 99%. Claim 7. A method of obtaining rhombohedral alpha boron according to one of claims 1 to 5, wherein the boron source comprises the isotope 1 1 B in a molar content of 80.1 to 99%.
Revendication 8. Procédé d’obtention du bore alpha rhomboédrique selon l’une des revendications 1 à 7, dans lequel les réactifs mis en œuvre sont composés : Claim 8. A process for obtaining rhombohedral alpha boron according to one of claims 1 to 7, in which the reagents used are composed of:
- d’au moins 75 % de la source de bore exprimé en pourcentage molaire pris par rapport au nombre de moles total de l’ensemble desdits réactifs ; et- at least 75% of the boron source expressed as a molar percentage taken relative to the total number of moles of all of said reagents; and
- d’au plus 25 % de la source de carbone exprimé en pourcentage molaire pris par rapport au nombre de moles total de l’ensemble desdits réactifs. - not more than 25% of the carbon source expressed as a molar percentage taken relative to the total number of moles of all of said reagents.
Revendication 9. Procédé d’obtention du bore alpha rhomboédrique selon l’une des revendications 1 à 8, dans lequel les réactifs mis en œuvre sont composés : Claim 9. A process for obtaining rhombohedral alpha boron according to one of claims 1 to 8, in which the reagents used are composed of:
- de 75 à 85 % de la source de bore exprimé en pourcentage molaire pris par rapport au nombre de moles total de l’ensemble desdits réactifs ; et- from 75 to 85% of the boron source expressed as a molar percentage taken relative to the total number of moles of all of said reagents; and
- de 15 à 25 % de la source de carbone exprimé en pourcentage molaire pris par rapport au nombre de moles total de l’ensemble desdits réactifs. - from 15 to 25% of the carbon source expressed as a molar percentage taken relative to the total number of moles of all of said reagents.
Revendication 10. Procédé d’obtention du bore alpha rhomboédrique selon l’une des revendications 1 à 9, dans lequel le procédé comporte au moins deux étapes : i) mélanger les réactifs comprenant la source de bore et la source de carbone ; et ii) soumettre le mélange obtenu en i) à une pression comprise entre 1 GPa et 5,5 GPa et à une température de 1000 °C à 2400 °C. Claim 10. A process for obtaining rhombohedral alpha boron according to one of claims 1 to 9, wherein the process comprises at least two steps: i) mixing the reagents comprising the source of boron and the source of carbon; and ii) subjecting the mixture obtained in i) to a pressure of between 1 GPa and 5.5 GPa and at a temperature of 1000 ° C to 2400 ° C.
Revendication 11. Procédé d’obtention du bore alpha rhomboédrique selon la revendication 10 dans lequel le procédé comporte les deux étapes : i) mélanger les réactifs dans lesquels la source de bore est du bore béta et la source de carbone est du carbone amorphe; et ii) soumettre le mélange obtenu en i) à une pression comprise entre 4 à 5 GPa et à une température comprise entre 1200 °C et 2200 °C. Claim 11. A process for obtaining rhombohedral alpha boron according to claim 10, in which the process comprises the two steps: i) mixing the reagents in which the source of boron is beta boron and the carbon source is amorphous carbon; and ii) subjecting the mixture obtained in i) to a pressure between 4 and 5 GPa and at a temperature between 1200 ° C and 2200 ° C.
Revendication 12. Procédé d’obtention du bore alpha rhomboédrique selon la revendication 10 ou 11, dans lequel l’étape ii) comporte une sous étape ii.1) de montée en pression pendant au moins 10 mn à température ambiante ; suivie d’une deuxième étape ii.2) de montée en température et de maintien à ladite température réactionnelle pendant au moins 2 h. Claim 12. A process for obtaining rhombohedral alpha boron according to claim 10 or 11, in which step ii) comprises a sub-step ii.1) of increasing the pressure for at least 10 min at room temperature; followed by a second step ii.2) of raising the temperature and maintaining said reaction temperature for at least 2 h.
Revendication 13. Procédé d’obtention du bore alpha rhomboédrique selon l’une des revendications 1 à 12, dans lequel le mélange est maintenu au moins 2 h à une pression comprise entre 2 et 5 GPa. Claim 13. A process for obtaining rhombohedral alpha boron according to one of claims 1 to 12, in which the mixture is maintained for at least 2 hours at a pressure of between 2 and 5 GPa.
Revendication 14. Procédé d’obtention du bore alpha rhomboédrique selon l’une des revendications 1 à 13, dans lequel le mélange est maintenu au moins 2 h à une température de 1400 °C à 2000 °C. Claim 14. A process for obtaining rhombohedral alpha boron according to one of claims 1 to 13, wherein the mixture is maintained for at least 2 hours at a temperature of 1400 ° C to 2000 ° C.
Revendication 15. Procédé d’obtention du bore alpha rhomboédrique selon l’une des revendications 7 à 14, dans lequel le procédé comporte une étape de traitement iii), consécutive à l’étape ii), consistant à tamiser les produits obtenus. Claim 15. A process for obtaining rhombohedral alpha boron according to one of claims 7 to 14, in which the process comprises a treatment step iii), subsequent to step ii), consisting in sieving the products obtained.
Revendication 16. Procédé d’obtention du bore alpha rhomboédrique selon la revendication 15, dans lequel le tamisage met en oeuvre un premier tamis comprenant des trous d’un diamètre inférieur ou égal à 5 microns. Claim 16. A method for obtaining rhombohedral alpha boron according to claim 15, wherein the screening uses a first screen comprising holes of a diameter less than or equal to 5 microns.
Revendication 17. Procédé d’obtention du bore alpha rhomboédrique selon la revendication 16, dans lequel le produit restant sur ledit premier tamis est passé à nouveau sur un deuxième tamis dont les pores sont compris entre 50 et 250 microns. Revendication 18. Procédé d’obtention du bore alpha rhomboédrique selon l’une des revendications 1 à 17, dans lequel le procédé comporte une étape finale iv) de dépôt par frittage des produits tamisés selon la revendication 17, sur un support du type cellule de détecteur neutronique ou du type dosimètre individuel. Claim 17. A process for obtaining rhombohedral alpha boron according to claim 16, in which the product remaining on said first screen is passed again through a second screen, the pores of which are between 50 and 250 microns. Claim 18. A process for obtaining rhombohedral alpha boron according to one of claims 1 to 17, in which the process comprises a final step iv) of deposition by sintering of the screened products according to claim 17, on a cell-type support. neutron detector or personal dosimeter type.
Revendication 19. Procédé d’obtention du bore alpha rhomboédrique selon la revendication 18, dans lequel l’étape iv) est réalisée sous une pression comprise entre 1 GPa et au plus 5 GPa à une température comprise entre 1100 °C et 1300 °C. Claim 19. A process for obtaining rhombohedral alpha boron according to claim 18, wherein step iv) is carried out under a pressure of between 1 GPa and at most 5 GPa at a temperature of between 1100 ° C and 1300 ° C.
Revendication 20. Bore alpha rhomboédrique obtenu selon l’une quelconque des revendications 1 à 19, présentant un degré de pureté d’au moins 95 % comprenant du bore alpha rhomboédrique présent sous la forme d’agrégats de particules dont le diamètre est compris entre 50 et 250 microns. Claim 20. Rhombohedral alpha boron obtained according to any one of claims 1 to 19, exhibiting a degree of purity of at least 95% comprising alpha rhombohedral boron present in the form of aggregates of particles with a diameter of between 50. and 250 microns.
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Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR2178799A1 (en) 1972-04-07 1973-11-16 Anvar Granular boron - by reducing volative boron cpd with hydrogen in fluidised boron bed
US20150060680A1 (en) 2013-08-27 2015-03-05 Franklin H. Cocks Red boron solid state detector

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR2178799A1 (en) 1972-04-07 1973-11-16 Anvar Granular boron - by reducing volative boron cpd with hydrogen in fluidised boron bed
US20150060680A1 (en) 2013-08-27 2015-03-05 Franklin H. Cocks Red boron solid state detector

Non-Patent Citations (14)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
DUYGU AGAOGULLARI ET AL: "Synthesis of alpha- and beta-Rhombohedral Boron Powders Gas Phase Thermal Dissociation of Boron Trichloride by Hydrogen", METALLURGICAL AND MATERIALS TRANSACTIONS B, SPRINGER-VERLAG, NEW YORK, vol. 42, no. 3, 24 March 2011 (2011-03-24), pages 568 - 574, XP019904002, ISSN: 1543-1916, DOI: 10.1007/S11663-011-9503-8 *
GLEB PARAKHONSKIY, NATALIA DUBROVINSKAIA, LEONID DUBROVINSKY, SWASTIK MONDAL,SANDERVAN SMAALEN: "High pressure synthesis of single crystals of alfa-boron", JOURNAL OF CRYSTAL GROWTH, vol. 321, 15 April 2011 (2011-04-15), pages 162 - 166, XP028160008, DOI: 10.1016/j.jcrysgro.2011.02.036 *
HIGH PRESSURE RESEARCH, vol. 23, 2003, pages 281 - 287
IBID, vol. 177, 2004, pages 1619 - 1623
IEEE TRANSACTIONS ON NUCLEAR SCIENCE, vol. 60, 2013, pages 1740 - 1766
J. AM. CHEM. SOC., vol. 80, 1958, pages 2592
J. PHYS. : CONF. SER., vol. 121, 2008, pages 042017
JOURNAL OF CRYSTAL GROWTH, vol. 321, 2011, pages 162 - 166
JOURNAL OF PHYSICS AND CHEMISTRY OF SOLIDS, vol. 75, 2014, pages 1054 - 1074
JOURNAL OF SOLID STATE CHEMISTRY, vol. 179, 2006, pages 2791 - 2798
PHYS. REV. LETT., vol. 78, 1997, pages 693 - 696
S. O. SHALAMBERIDZEG. I. KALANDADZED. E. KHULELIDZEB. D. TSURTSUMIA: "Production of a-Rhombohedral Boron by Amorphous Boron Crystallization", JOURNAL OF SOLID STATE CHEMISTRY, vol. 154, no. 1, 1 October 2000 (2000-10-01), pages 199 - 203, XP055767344, DOI: 10.1006/jssc.2000.8836 *
WYCKOFF, R. W. G.: "Crystal structures", vol. 1, 1963, INTERSCIENCE PUBLISHERS, pages: 7 - 83
ZEITSCHRIFT FÜR KRISTALLOGRAPHIE, vol. 219, 2004, pages 330 - 338

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