金剛石具有優(yōu)良的電學(xué)性能：超寬的帶隙，超高的擊穿場(chǎng)強(qiáng)，高電子和空穴遷移率，有望成為“終極半導(dǎo)體”；在聲學(xué)上，金剛石在所有材料中具有最高的表面聲波速度和極高的楊氏模量；在光學(xué)上，金剛石可透過(guò)從遠(yuǎn)紅外到紫外小于帶隙能量的光子；在熱學(xué)上，其導(dǎo)熱性超過(guò)銅，因此金剛石具有跨領(lǐng)域應(yīng)用的潛力。表1顯示了金剛石材料的性能與其對(duì)應(yīng)的應(yīng)用領(lǐng)域。

一、功能金剛石的合成

相對(duì)于傳統(tǒng)金剛石高溫高壓(HPHT)合成方法，功能金剛石主要采用(常壓)化學(xué)氣相沉積(CVD)的方法。CVD金剛石分為CVD薄膜(常規(guī)金剛石膜、納米金剛石膜，厚度小于50μm)和自支撐型厚膜(單晶金剛石和多晶金剛石)。按合成技術(shù)分為微波輔助型(MPCVD)、熱絲型和直流型。MPCVD技術(shù)是目前主流的合成高質(zhì)量金剛石的方法。不同CVD技術(shù)的比較見(jiàn)表2所示。

二、功能金剛石的應(yīng)用

1、寶石級(jí)的人造金剛石

高溫高壓(HTHP)方法是制造培育鉆石的主要方法。化學(xué)氣相沉積(CVD)制造培育鉆石方法，近三年突飛猛進(jìn)，成本大幅減低，工藝穩(wěn)定性取得明顯進(jìn)展，已量產(chǎn)并工業(yè)批量投放市場(chǎng)。

2、金剛石半導(dǎo)體

金剛石被認(rèn)為是制備下一代高功率、高頻、高溫及低功率損耗電子器件最有希望的材料，被業(yè)界譽(yù)為“終極半導(dǎo)體”。金剛石為間接帶隙半導(dǎo)體材料，禁帶寬度約為5.5eV，熱導(dǎo)率高達(dá)22W/(cm·K)。室溫電子和空穴遷移率高達(dá)4500cm2/(v·S)和3800cm2/(v·S)，遠(yuǎn)高于第三代半導(dǎo)體材料GaN和SiC。另外，由于金剛石具有很大的激子束縛能(約80meV)，使其在室溫下可實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)度的自由激子發(fā)射(發(fā)光波長(zhǎng)約為235nm)，在制備大功率深紫外發(fā)光二極管方面具有很大的潛力，在極紫外深紫外和高能粒子探測(cè)器的研制中也發(fā)揮著重要作用。另外，對(duì)于單晶金剛石襯底材料的生長(zhǎng)，還要有高的生長(zhǎng)速率以及大的晶體尺寸，同時(shí)要實(shí)現(xiàn)金剛石的半導(dǎo)體功能需要對(duì)其進(jìn)行有效的摻雜，使其具備良好的n型或p型導(dǎo)電性質(zhì)。

可以展望，隨著金剛石半導(dǎo)體技術(shù)的不斷發(fā)展，未來(lái)必將突破n型摻雜技術(shù)、大尺寸高質(zhì)量單晶制備及高平整度、高均勻性材料外延技術(shù)等瓶頸問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)更高功率性能的金剛石電子器件，從而為消費(fèi)者創(chuàng)造更快、更輕、更簡(jiǎn)單的設(shè)備。金剛石半導(dǎo)體器件比硅芯片更便宜、更薄，基于金剛石的電子產(chǎn)品很可能成為高能效電子產(chǎn)品的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，其將對(duì)一些高新行業(yè)和高新技術(shù)產(chǎn)品產(chǎn)生顯著影響，包括更快的超級(jí)計(jì)算機(jī)、先進(jìn)的雷達(dá)和電信系統(tǒng)、超高效混合動(dòng)力汽車、極端環(huán)境中的電子設(shè)備以及下一代航空航天電子設(shè)備等。

3、金剛石的熱學(xué)應(yīng)用

金剛石具有目前所知的天然物質(zhì)中最高的熱導(dǎo)率(2200W/(m·K))，比碳化硅(SiC)大4倍，比硅(Si)大13倍，比砷化稼(GaAs)大43倍，是銅和銀的4~5倍，低的熱膨脹系數(shù)(0.8×10

-6~1.5×10-6K-1)和高的彈性模量等優(yōu)良性能。是一種具有良好前景的優(yōu)異的電子封裝材料。典型的應(yīng)用有金剛石增強(qiáng)金屬封裝材料(Dianmond/Cu、Diamond/Al)和熱沉-金剛石襯底GaN器件等。金剛石增強(qiáng)金屬基封裝材料已經(jīng)商用，其熱導(dǎo)率已可達(dá)到350~600W/(m·K)，隨著人造金剛石價(jià)格大幅降低，單位體積金剛石顆粒的價(jià)格已接近甚至低于W、Mo等難熔金屬的價(jià)格，為大規(guī)模生產(chǎn)創(chuàng)造了必備的條件。

極高的導(dǎo)熱系數(shù)與電絕緣相結(jié)合，使得金剛石成為許多高功率密度設(shè)備的首選散熱器。激光二極管結(jié)處散熱就是CVD金剛石的最早應(yīng)用之一。最近，在晶圓數(shù)量級(jí)上，CVD金剛石與GaN的集成已經(jīng)成為可能，這種集成允許在無(wú)線電頻率下實(shí)現(xiàn)更高的功率密度。

4、光學(xué)應(yīng)用

理想的電力傳輸窗口將具有：

(a)非常低的總吸收(窗口和涂層的吸收系數(shù)×窗口厚度。

(b)低熱膨脹系數(shù)(幾何形狀隨溫度的變化較小)。

(c)高導(dǎo)熱率(將熱量從加熱物體中散開(kāi)的能力)。

(d)高強(qiáng)度和楊氏模量(允許使用更薄的窗口)。

(e)折射率隨溫度變化小。

金剛石幾乎全部滿足上述要求，多晶金剛石在光學(xué)窗口方面有許多應(yīng)用場(chǎng)景，部分已產(chǎn)業(yè)化。

除了光學(xué)窗口外，多晶金剛石還具有裝飾作用，金剛石的涂層不僅具有閃光效果還有多種顏色。用于高端鐘表的制造，奢侈品的裝飾性涂層以及直接作為時(shí)尚制品。金剛石其強(qiáng)度和硬度是康寧玻璃的6倍和10倍，因此也被應(yīng)用于手機(jī)顯示屏和照相機(jī)鏡頭。

5、金剛石聲學(xué)器件

金剛石密度低，楊氏模量和強(qiáng)度高，這使得它成為一種高性能的高頻聲材料。

金剛石，可以在高達(dá)70kHz的頻率下保持完美的振動(dòng)運(yùn)動(dòng)而不失真，從而提供幾乎完美的聲音再現(xiàn)。此外金剛石還具有最高的聲表面波速，是用于聲表面波濾波器的優(yōu)秀材料，能夠提高濾波頻率和功率承受能力。

6、摻硼金剛石(BDD)電極

研究表明BDD是一種環(huán)保新型電極材料，作為陽(yáng)極的電化學(xué)法對(duì)染料、農(nóng)藥、抗生素、內(nèi)分泌干擾物等多種難降解的有機(jī)污染物、大分子物質(zhì)等都表現(xiàn)出了很好的去除效果，幾乎都可實(shí)現(xiàn)完全礦化，是一種環(huán)境友好型的污染治理方法，因而得到了越來(lái)越多的關(guān)注；

采用摻硼金剛石(BDD)作為電極的電化學(xué)氧化法，利用在水中產(chǎn)生具有強(qiáng)氧化性能的羥基自由基(·OH)，能快速高效地降解污水中的有機(jī)物，這類電極具有最寬的電化學(xué)窗口、極高的

析氧電位、極好的化學(xué)穩(wěn)定性，可在強(qiáng)酸、強(qiáng)堿、高鹽環(huán)境中長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)運(yùn)行，有望成為最具潛力有機(jī)廢水處理技術(shù)。

7、金剛石量子技術(shù)的應(yīng)用

金剛石量子技術(shù)為21世紀(jì)的兩個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題提供了潛在的解決方案:生物醫(yī)學(xué)和持續(xù)增長(zhǎng)的信息經(jīng)濟(jì)。金剛石有能力將缺陷變成量子資源，這種缺陷是特定的，即氮空位缺陷(NV)，其獨(dú)特的性質(zhì)使其量子態(tài)可以在室溫下使用光來(lái)操縱和讀出。在基于量子的應(yīng)用中，人造金剛石充當(dāng)雜質(zhì)或缺陷的主體，像固態(tài)原子陷阱一樣起作用。這些雜質(zhì)的量子特性，例如氮空位缺陷，可以單獨(dú)操作并使其相互作用，并且從這些雜質(zhì)發(fā)出的光的光子可以用于讀出它們的

量子信息。

由于金剛石具有廣闊的應(yīng)用前景、化學(xué)惰性、機(jī)械硬度、表面改性能力、可調(diào)導(dǎo)電性和生物相容性等優(yōu)點(diǎn)，金剛石作為醫(yī)療器械與人體之間的界面被廣泛研究。金剛石涂層已被考慮用于各種醫(yī)療設(shè)備的應(yīng)用，包括保護(hù)涂層、生物界面和生物傳感器。大尺寸的單晶/多晶金剛石可以制成鋒利的刀片。納米金剛石根據(jù)其特性可以用作運(yùn)輸藥物和具有標(biāo)記特性的靶向材料。

8、納米金剛石潤(rùn)滑油

納米金剛石具有較大的表面積，且表面有著豐富的官能團(tuán)，這些特性使其表面具有特殊的吸附性，易于發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，故經(jīng)過(guò)處理的球形納米金剛石在潤(rùn)滑油中有著良好的分散性。近年來(lái)，大量的實(shí)驗(yàn)表明，在潤(rùn)滑油中加入千分之一的球形納米金剛石就能有效地提高潤(rùn)滑油的抗磨減震效果，而且可以廣泛應(yīng)用于各種機(jī)械結(jié)構(gòu)中。

參考資料：

1、鄭州千磨官網(wǎng)

2、金剛石產(chǎn)品研發(fā)網(wǎng)

3、磨料磨具產(chǎn)業(yè)研究會(huì)