金剛石（shí）功能化應用領（lǐng）域介紹

  金剛石具有優（yōu）良的電（diàn）學性能：超寬的帶隙，超高的（de）擊（jī）穿場強，高電（diàn）子和空穴遷移（yí）率，有（yǒu）望成為“**半導體”；在聲學上，金剛石在所有材料中具（jù）有*高（gāo）的表麵聲波速度和極高的楊氏模量；在光學上，金（jīn）剛（gāng）石可透過從遠紅外（wài）到紫（zǐ）外小於帶隙能（néng）量的光子；在熱學（xué）上，其導熱性超過銅，因此金剛石具有跨領域（yù）應用的潛力（lì）。表1顯（xiǎn）示了金剛石材料的性（xìng）能與（yǔ）其對應的應用領域。

表1. 金剛石材料的性（xìng）能

功能金剛石的合成

    相對於傳統金剛石高溫高壓(HPHT)合成（chéng）方法（fǎ），功能金剛石主要采（cǎi）用(常壓)化學氣相沉積(CVD)的方法。CVD金剛石分為CVD薄膜(常規金剛石膜、納米金剛石（shí）膜，厚度小於50μm)和自支撐型厚膜(單晶金剛石（shí）和（hé）多（duō）晶金剛石)。按合成技術分為微（wēi）波輔助型(MPCVD)、熱絲型和直流型。MPCVD技術是目前主流的合成高質量金（jīn）剛石的方法。不（bú）同CVD技術的比較見表2所示。

表2. CVD合成金剛石的主（zhǔ）要方法及特點

功能金（jīn）剛石的應用

    1 寶石級的人造金剛石

    高溫高壓(HTHP)方法是製（zhì）造培育鑽石的主要方法。化學（xué）氣相沉積(CVD)製造培育鑽石方法，近三年突飛猛進，成本大幅減低，工藝穩定性取得明顯進展，已量產並工業批量投放市（shì）場。

    2 金剛石半導體

    金剛石被認為是製備下一代高功率、高頻、高溫及低功率損耗（hào）電子器件*有希望的（de）材料，被業界譽為（wéi）“**半導體”。金剛石為間接帶隙半導體材料，禁帶寬度約為5.5eV，熱導率高達22W/(cm·K)。室溫電子和（hé）空穴遷移率高達4500cm²/(v·S)和3800cm²/(v·S)，遠高於（yú）第三代（dài）半導體材料GaN和SiC。另（lìng）外，由於（yú）金剛石具有很大的激子束縛能(約80meV)，使其在室溫（wēn）下可實現（xiàn）高強度的自由激子發射(發光波長約為235nm)，在製備大功率深紫外發光二極管方麵具有很大的（de）潛力，在極紫外深紫外和高能粒子（zǐ）探測（cè）器的研製中也發（fā）揮著重要作用。另外，對於單晶金剛石襯底材料的生長，還要（yào）有高的生長速（sù）率以及大的晶體尺寸，同時要實現金剛石的半導體功能需（xū）要對其進行有效的摻雜，使其具備良好（hǎo）的n型或p型（xíng）導電性質。

    可以展望，隨著金剛石半導體技術的不斷發展（zhǎn），未來必將突（tū）破n型摻雜技術、大尺寸高質量單晶製備及高平整度（dù）、高均勻性材料外延技術等瓶頸問題，實現更高功率性能的金（jīn）剛（gāng）石電子（zǐ）器（qì）件（jiàn），從而為消（xiāo）費者創造更快、更（gèng）輕、更簡單的設備。金剛（gāng）石半導體器件比矽芯片更便宜（yí）、更薄，基於金剛石的電子產品很（hěn）可（kě）能成為高能效電子產品的行業標準，其將對一些高新行業和****產品（pǐn）產生顯著影響，包括更快的超級計（jì）算機、先進的（de）雷達和電信係統、超高效（xiào）混合動力汽車、極端環境中的電子（zǐ）設備以及下一代航空航天電子設備等。

    3 金剛石的熱學應用

    金剛石具有目前所知的天然物質中*高的熱導率(2200W/(m·K))，比碳化矽(SiC)大4倍，比矽(Si)大13倍，比砷化稼(GaAs)大43倍，是銅和銀的（de）4~5倍（bèi），低的熱膨（péng）脹（zhàng）係數(0.8×10^-6~1.5×10^-6K^-1)和高的彈性模量（liàng）等優良性能。是一種具有良好前景的優異的電子封裝材料。典型的應用有金（jīn）剛石增強（qiáng）金屬封裝材料（Dianmond/Cu、Diamond/Al）和熱沉-金剛石（shí）襯底GaN器件等。金剛石增強金屬基封裝（zhuāng）材料已經商用，其熱導率已可達到 350~ 600W / (m·K)，隨著人造金剛石價格大幅降低，單位體積金剛石（shí）顆粒的價（jià）格已（yǐ）接近甚至低於W、Mo等難熔金屬的價格，為大規模生產創造（zào）了必備的條件（jiàn）。

    極高（gāo）的導熱係（xì）數與電絕緣相結合，使得金（jīn）剛石成為許多高功率密度設（shè）備的（de）**散熱器。激（jī）光二極管結處散（sàn）熱（rè）就是（shì）CVD金剛石的*早應用之一。*近，在（zài）晶（jīng）圓數量級上，CVD金剛石與GaN的集（jí）成（chéng）已經（jīng）成為可能，這種集成允許在（zài）無線電頻率下實現更高的功率密度。

    4 光學應用（yòng）

    理想的電力傳輸窗口（kǒu）將具有：

    (a)非常低的總（zǒng）吸收(窗口和塗（tú）層的吸收係數×窗口厚度。

    (b)低（dī）熱膨脹係數(幾何形（xíng）狀隨溫度（dù）的變化較小)。

    (c)高導熱率(將熱量從加（jiā）熱物體中散開的能力)。

    (d)高強度（dù）和楊氏模量(允許使用更薄的（de）窗口)。

    (e)折射率隨溫度變（biàn）化小。

    金剛石幾乎全部（bù）滿足上述要求，多晶金剛石在光學（xué）窗口方麵有許多應用場景，部分已產業化。

    除了光學窗口外，多（duō）晶金剛石還具有裝飾作用，金剛石（shí）的塗層不僅具有閃光效果還有多種顏色。用於高端鍾表的製造，奢侈品的裝飾性塗層以及（jí）直接作為時尚（shàng）製品。金剛石其強（qiáng）度和硬度是（shì）康寧玻璃的6倍和10倍，因此也被應用於手機顯示屏和照相機鏡頭。

    5 金剛石聲（shēng）學器件

    金剛石（shí）密度低，楊氏（shì）模量（liàng）和（hé）強度高，這使得它成為（wéi）一種高性能的（de）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運動（dòng）而不失真，從（cóng）而提（tí）供幾乎完（wán）美的聲音再（zài）現。此外金剛石還具有*高的聲表麵波速，是用於（yú）聲表麵波濾波器的（de）**材料，能夠（gòu）提高濾波頻率和功（gōng）率（lǜ）承受能（néng）力。

    6 摻（chān）硼金剛石(BDD)電極

    研究表明BDD是一種環保（bǎo）新型電極材（cái）料，作為陽極的電化學法對染料、農藥、抗生素、內分泌幹（gàn）擾（rǎo）物等（děng）多種難降解的有機汙染物、大分子物質等都表現出了很好的去除效（xiào）果，幾乎都可實（shí）現完全礦化，是一種環境友好型的汙染（rǎn）治理方法，因而得到了越來越多的關注。

    采用摻硼金剛石(BDD)作為電極的電化學氧化法，利用在水中產生具有強氧化性能的羥基（jī）自（zì）由基(·OH)，能快速高效地降解汙水中的有機物，這類電極具有*寬的電化學窗口、極高的析（xī）氧（yǎng）電位、極好的化學穩（wěn）定性，可在強酸、強堿、高鹽環（huán）境中長時間連續運（yùn）行，有望成為*具潛力有機廢水處理技術。

    7 金剛石量子技術的應用

    金剛石（shí）量子技術為21世紀的兩個關鍵問題提供了（le）潛在的解決方案:生物醫學和持續（xù）增長的信息經濟。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（dàn）空（kōng）位缺陷(NV)，其獨特的性質使其量子態可以（yǐ）在室溫下使用光來操縱和讀出。在基於量子的應（yīng）用中，人造金剛石充（chōng）當（dāng）雜質或缺陷的主體，像固（gù）態原子陷阱一樣起（qǐ）作用。這些雜質的量子特性，例如氮空（kōng）位缺陷，可以單獨操作（zuò）並使其（qí）相互作用，並且從這些（xiē）雜質（zhì）發出的光的（de）光子可以（yǐ）用於讀出它們的量子信息。

    由於金剛石具有廣闊的（de）應（yīng）用前景、化學惰性、機械（xiè）硬度、表麵改性能力、可調導電性和生物相（xiàng）容（róng）性等優點，金剛石作為醫療器（qì）械（xiè）與人體之間（jiān）的界麵被廣泛研究。金剛石塗層已被考慮用於各（gè）種醫療設備的應用，包括保護塗層、生物（wù）界（jiè）麵和生物傳感器。大（dà）尺寸的單晶/多晶金剛石可（kě）以製成鋒利的刀片。納米金剛石根據其特性可以（yǐ）用（yòng）作運輸藥物和具有標記特性的靶（bǎ）向（xiàng）材料。

    8 納米金剛（gāng）石潤（rùn）滑油

    納米金剛石具有較大（dà）的表麵積，且表麵有著豐富的（de）官能團，這些特性使其表麵具有特殊的吸附性，易（yì）於發生化學反應，故經過處理的球形納米金剛石在潤滑油中有著良好的（de）分散性。近年（nián）來，大量的實驗表明，在（zài）潤滑油中加（jiā）入千分之一的球形納米（mǐ）金剛石就能有效地（dì）提高潤滑油的抗磨減震效果，而且可以廣泛應（yīng）用（yòng）於各種機械結構中（zhōng）。