金剛（gāng）石功能化（huà）應用領域介紹

  金剛石具有優良的電學性能：超寬的帶隙，超高的擊穿場強，高電子和空穴遷移率，有望成為“**半導體”；在聲學上，金剛石在（zài）所有材料（liào）中具有（yǒu）*高的表麵聲波速度（dù）和極高的楊氏模量；在光學上，金剛石可透過從遠紅外到紫（zǐ）外小於帶隙能量的光子；在熱學上，其導熱性超過銅，因此金（jīn）剛石具有跨領域（yù）應用的潛力。表1顯（xiǎn）示了金（jīn）剛石材料（liào）的性能與其對應的應（yīng）用領域。

表1. 金剛石材料（liào）的性能

功能金剛石的合成

    相（xiàng）對於（yú）傳統金剛石（shí）高溫高（gāo）壓(HPHT)合成方法，功能（néng）金剛石主（zhǔ）要（yào）采用(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（gāng）石膜（mó），厚度小於50μm)和自支撐（chēng）型厚膜(單晶（jīng）金剛石（shí）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（shì）目（mù）前主流的合成高質量金剛石的方法。不同CVD技術（shù）的比（bǐ）較見表2所示。

表2. CVD合成金剛石的主要方法及特點

功能金剛石的（de）應用

    1 寶石級（jí）的人造金剛石

    高溫高壓(HTHP)方法是（shì）製造培育鑽石的主要方法。化（huà）學氣相沉積(CVD)製造培育鑽石方法，近三年突飛猛（měng）進，成本大幅（fú）減低，工藝穩定性取得明顯進展（zhǎn），已量產並工業批量投放市場。

    2 金剛石半導體

    金剛石被認為是（shì）製備下一代高功率、高頻（pín）、高溫及低功率損耗電子器件*有希望的材料（liào），被業（yè）界譽（yù）為“**半導體（tǐ）”。金剛石為間接帶隙半導體材（cái）料，禁帶寬度約為5.5eV，熱導率高達22W/(cm·K)。室溫電子和空穴遷移率高達4500cm²/(v·S)和（hé）3800cm²/(v·S)，遠高於第三代半導體材料GaN和SiC。另外（wài），由（yóu）於金剛石具有很大的激子（zǐ）束縛能(約80meV)，使其在室溫下可實現高強度的自由激子發射(發光波長約為235nm)，在製備（bèi）大功率深紫（zǐ）外發光（guāng）二極管方麵具有很大的潛力，在極（jí）紫外深紫外和高能粒子探測器的研製中也發揮著重要作用。另外，對於單晶金剛石襯底材料的生長，還要有高的生長速率以及大的晶體尺寸，同時要實現金剛石的半（bàn）導體功能需要對（duì）其（qí）進行有效的摻雜，使其具備良好的n型或（huò）p型導電性質。

    可以展（zhǎn）望（wàng），隨（suí）著（zhe）金剛石半導體技術的不斷發展（zhǎn），未來必將突破n型摻雜技術、大尺（chǐ）寸高（gāo）質量單晶製備及高平整度、高均勻性材料外延技術等瓶頸問題，實現更高（gāo）功率性能的金剛石電子器件，從而為消費（fèi）者創造更快、更輕、更（gèng）簡單的設備。金剛石（shí）半導體器（qì）件比矽（guī）芯片更便宜、更（gèng）薄，基於金剛石的電子產品很可能成為高能效電子產（chǎn）品的（de）行業標準，其將對（duì）一些高新行業和****產品產生顯著影響（xiǎng），包括更快的超級計算機、先進的雷達和電信係（xì）統、超高效混合動力汽車、極端環境中的電（diàn）子（zǐ）設備以（yǐ）及下一代航空航天電子設備等。

    3 金剛石的（de）熱學應用

    金剛石具有（yǒu）目前所知的天然物質中（zhōng）*高的熱導率(2200W/(m·K))，比碳化矽(SiC)大4倍，比矽（guī）(Si)大13倍，比砷化稼(GaAs)大43倍（bèi），是（shì）銅和銀的4~5倍，低的（de）熱膨脹係數(0.8×10^-6~1.5×10^-6K^-1)和高的彈性模量等優良性能。是一種具有良好前景的優異的（de）電子封裝材料。典型（xíng）的應用有金剛石增強金屬封（fēng）裝材料（liào）（Dianmond/Cu、Diamond/Al）和熱沉-金（jīn）剛石襯底GaN器件等。金剛石增強金屬基封裝材（cái）料已經商用，其熱導率已可達到 350~ 600W / (m·K)，隨（suí）著人造金剛石價格（gé）大幅降低，單位體積金剛石顆（kē）粒的價格已接近甚（shèn）至低於W、Mo等難熔金屬的價格，為大規模生產創造了必備（bèi）的條件。

    極高（gāo）的導熱係數與電絕緣相結合（hé），使（shǐ）得金剛石成為許（xǔ）多高功率密度設（shè）備的**散熱器。激光二極管結（jié）處散（sàn）熱（rè）就是CVD金剛石的*早應用之一（yī）。*近，在晶圓（yuán）數量（liàng）級上，CVD金剛石與（yǔ）GaN的集成已經成為可能，這種（zhǒng）集成允許在無線電頻率下實現更高的功率密度。

    4 光學（xué）應用

    理想的電力傳輸窗口將具有：

    (a)非常低的總吸收(窗口和塗層的（de）吸收（shōu）係數×窗口（kǒu）厚度。

    (b)低熱膨脹係數(幾（jǐ）何形狀隨溫度的變化較小)。

    (c)高導熱率(將熱量從加熱物體中散（sàn）開（kāi）的能力)。

    (d)高（gāo）強度和楊（yáng）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（quán）部滿足上述要求，多晶金剛石在光學窗口方麵有許多應用場景，部分已（yǐ）產業化。

    除了光（guāng）學窗口外，多晶金剛石還具有裝飾作（zuò）用（yòng），金剛石的塗（tú）層不僅具有（yǒu）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直接作為時尚製品。金剛（gāng）石其強度和硬度是康寧玻璃的（de）6倍和10倍，因此也被應（yīng）用於（yú）手（shǒu）機顯示屏（píng）和照相機鏡頭。

    5 金剛石聲學器件

    金剛石密度低，楊氏模量和強度高（gāo），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70kHz的頻率下保持完美（měi）的振動運動而（ér）不失真，從而提供幾（jǐ）乎完美的聲音再現。此外金剛石還具有*高的聲表麵波速（sù），是用於聲表（biǎo）麵波濾（lǜ）波器的**材料，能夠（gòu）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（liào），作為陽極的電化學（xué）法對染料、農藥、抗生素、內分泌（mì）幹擾物等多種（zhǒng）難降解（jiě）的（de）有機汙染（rǎn）物、大分子物質等都表現出了很好的去（qù）除效果，幾乎都可實現完全礦化，是一（yī）種環境友好型的汙染治理方法，因而得到了越來越多（duō）的關注。

    采用摻硼金剛石(BDD)作為電極的電化學氧化法，利用（yòng）在水中產生具有強氧化性能的羥基自由基（jī）(·OH)，能（néng）快速高效地降解汙（wū）水中的（de）有機物，這類電極具有*寬（kuān）的電化學窗口、極高的析氧電位（wèi）、極好（hǎo）的化學穩定性，可在（zài）強酸、強堿（jiǎn）、高鹽環境中長時間連續運行，有望（wàng）成為*具潛力有機（jī）廢（fèi）水處理技術。

    7 金剛石量子技術的應用

    金剛石量子技術為21世紀的（de）兩個關鍵問題提供了潛（qián）在的解決方案:生物（wù）醫學和（hé）持續增長的信息經濟。金剛石有能力將缺陷變成量子資源，這種缺陷是特定的，即氮空位缺陷(NV)，其獨特的性質使其量子態可以在（zài）室溫下使用（yòng）光來操縱和讀出。在基於量子的應用中，人造金剛石充當雜質或缺陷的主體，像（xiàng）固態原子陷阱一樣起作用。這些雜質的量子特性，例如氮空位缺陷，可以單獨操作（zuò）並使其相互作用，並且從這些（xiē）雜質發出的光的光子可以用於讀出（chū）它們（men）的量子信息。

    由於金剛石具有廣（guǎng）闊的應用前景、化學惰性、機械硬（yìng）度、表（biǎo）麵（miàn）改性能力、可（kě）調導電性和生物相（xiàng）容性等優點，金剛石作（zuò）為醫療器械與人體之間的界麵被廣（guǎng）泛研究。金剛石塗層已被考慮用（yòng）於（yú）各種醫療設備的應用，包括保護（hù）塗層、生物界麵和（hé）生物傳感器。大尺寸的單晶/多晶金剛石可以製成鋒利的刀片。納米金剛石根據（jù）其特性可以用作運輸藥物和具（jù）有標記特性的靶向材料。

    8 納米金剛石潤滑油（yóu）

    納米金剛石具（jù）有較大的表（biǎo）麵積，且表麵有著（zhe）豐（fēng）富的官能（néng）團，這些特性使（shǐ）其表麵（miàn）具有特殊的吸附性，易於發生（shēng）化學（xué）反應，故經過處理的球形納米金剛石在（zài）潤滑油中有著良好的分散性。近年來，大量的實驗表明，在潤滑油中加入（rù）千分之一的球形納米（mǐ）金剛（gāng）石就能有效地提高潤滑油的抗磨減震（zhèn）效果，而且可以廣泛應用於各種機械結構中。