金剛石功能化應用領域介紹

  金剛石具有優良的電學性能：超（chāo）寬的帶（dài）隙，超高的擊穿場強，高電子和空穴遷移率，有望成為“**半導（dǎo）體”；在聲學上，金剛石（shí）在所有（yǒu）材料中具有*高的表麵聲波速度和極高的楊氏模量；在光學上，金剛石可透過從遠紅外到紫外小於帶隙能（néng）量的光子；在（zài）熱學上，其導熱性超（chāo）過銅，因此金（jīn）剛石具（jù）有跨領域應用（yòng）的潛力。表1顯示了金剛石材料的性能與其對應的應用領域（yù）。

表1. 金剛石材料的性能

功能金剛石的合成

    相對於傳統金剛石高溫高壓(HPHT)合成方法，功能金剛石主要采用(常壓)化學氣相沉積（jī）(CVD)的方（fāng）法。CVD金剛石分為CVD薄膜(常規金剛石（shí）膜（mó）、納米金剛石膜，厚度小於50μm)和自支撐型厚（hòu）膜(單晶金剛石和多晶金剛石)。按（àn）合成技術分（fèn）為微波輔（fǔ）助型(MPCVD)、熱絲型和直流型。MPCVD技術是目前主流的合（hé）成高質量金剛石的方法。不同CVD技術的比較見表（biǎo）2所示。

表2. CVD合成金剛石的主（zhǔ）要方法及特點

功能金剛石的（de）應用

    1 寶石級的人造金剛石

    高溫（wēn）高壓(HTHP)方法是製（zhì）造培育鑽石的主要方法。化學氣相沉積(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（xiǎn）進展，已量產並工業（yè）批量投放市場。

    2 金剛（gāng）石半導體

    金（jīn）剛石被認為是（shì）製（zhì）備下一代高功率（lǜ）、高頻、高溫及低功率損（sǔn）耗電子器件*有希望的材（cái）料，被業界譽為“**半導體”。金剛（gāng）石（shí）為間接帶隙半（bàn）導體材料，禁帶寬度約為（wéi）5.5eV，熱導率高（gāo）達22W/(cm·K)。室溫（wēn）電子和空穴遷（qiān）移率高達4500cm²/(v·S)和3800cm²/(v·S)，遠高於第三代半導體材料GaN和SiC。另外，由於（yú）金剛石具有很大的激（jī）子束縛能(約80meV)，使其在室溫下可實現高（gāo）強度的自由（yóu）激子發（fā）射(發光波長約為235nm)，在製備（bèi）大功（gōng）率深紫（zǐ）外發光二極管方麵具有很（hěn）大（dà）的潛力，在極紫外深紫外（wài）和高能粒子探測器的研（yán）製中也發揮著重要作用。另外（wài），對（duì）於單晶金（jīn）剛石襯底材料的生長，還要有高的生長速率以及大的晶（jīng）體尺寸，同時要實現金剛石的半導體功能需要對（duì）其進行有效的摻雜，使其具備（bèi）良好的n型或（huò）p型導電性質（zhì）。

    可以展（zhǎn）望，隨著金剛石半導體技術的不斷發展，未來必將突破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（děng）瓶頸問題，實現更高功率性能的金剛石電子器件，從而為消費者創造更（gèng）快、更輕、更簡單（dān）的設備。金剛石半導（dǎo）體（tǐ）器件比矽芯片（piàn）更便（biàn）宜、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（yè）標準，其將對一些高新行業和****產品產生顯（xiǎn）著影響，包括（kuò）更快的（de）超級計算機、先進的雷達和（hé）電信係統、超高效混合動（dòng）力汽車（chē）、極端環境中的電子設備以及下一代航（háng）空航（háng）天（tiān）電子設備等。

    3 金剛石的熱學應（yīng）用（yòng）

    金剛石具有目前所知的（de）天然物（wù）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（bǐ）砷化稼(GaAs)大43倍（bèi），是銅和銀的4~5倍，低的熱膨脹係數(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（liáng）好前景的優異的電子封裝材料。典型（xíng）的應用有金剛石增強（qiáng）金屬封裝材料（Dianmond/Cu、Diamond/Al）和熱沉-金剛石襯底GaN器件等。金（jīn）剛（gāng）石增強金屬（shǔ）基封裝材料已經商用，其熱導率已可達到 350~ 600W / (m·K)，隨著人造金剛石價（jià）格大幅降（jiàng）低（dī），單位體積金剛石顆粒的價格（gé）已接（jiē）近（jìn）甚（shèn）至低（dī）於W、Mo等（děng）難熔金屬的（de）價格，為大（dà）規模生產（chǎn）創造了必備的（de）條件。

    極高的（de）導熱係數與電絕緣相結合，使得金剛石成為許多高功率密度設備的**散熱器。激光二極管結處散（sàn）熱就是CVD金剛石的*早應用之一。*近（jìn），在（zài）晶圓數量級上，CVD金（jīn）剛石與GaN的集成已經成為可能，這（zhè）種集成（chéng）允（yǔn）許在無線電頻率（lǜ）下實現更高的功率密度。

    4 光學應用

    理想的電力傳輸窗口將（jiāng）具有：

    (a)非常低的總吸收(窗口和塗層的吸（xī）收（shōu）係數×窗（chuāng）口（kǒu）厚度。

    (b)低熱（rè）膨（péng）脹係數(幾何形狀隨溫度的變化較小)。

    (c)高導熱率(將熱（rè）量從加熱物體中散開的（de）能力)。

    (d)高強度（dù）和楊氏模（mó）量(允許使用更薄的窗口)。

    (e)折（shé）射率隨溫度變化小。

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

    除了（le）光學（xué）窗口外，多晶金剛石還具有裝飾作用，金剛石的塗層不僅具有閃光效果還有多種顏色。用於（yú）高端鍾（zhōng）表的製（zhì）造（zào），奢侈品的裝飾性塗層以及直接作（zuò）為時尚製品。金剛石其強度和硬度是康（kāng）寧玻璃（lí）的6倍和10倍（bèi），因此也（yě）被應用於手機顯示屏和照相機鏡頭。

    5 金剛石聲學器件

    金剛石密度（dù）低，楊氏模量和強度高，這使得它成為一（yī）種高性能的高頻聲（shēng）材料。

    金剛石，可以在高達70kHz的頻率下保持完美的振動運動而不失真，從而（ér）提供幾乎完美的聲（shēng）音再現。此外金（jīn）剛石還具有*高的聲表麵波速，是用於（yú）聲表麵波濾波（bō）器的**材料，能夠提高濾波頻率和功率承受（shòu）能力。

    6 摻硼金剛石(BDD)電極

    研究表明BDD是一種環保新型電極材料，作為陽極的電化學法對染料、農藥、抗生（shēng）素、內分泌幹擾物等多種難降解的有機汙染物、大分子物質等都表現出了很（hěn）好的去除效果，幾（jǐ）乎都可實現完全礦化（huà），是一種環境友好型的汙（wū）染治理方法，因而得到了越來越多的關注（zhù）。

    采用摻硼（péng）金剛石(BDD)作為（wéi）電極的電（diàn）化學氧化法，利用在水中產生具有（yǒu）強氧化性能的羥基自由基(·OH)，能快速高效地降解汙水中的有機物，這（zhè）類電（diàn）極（jí）具（jù）有（yǒu）*寬的（de）電化（huà）學窗口、極（jí）高的（de）析氧電位、極好的化學穩定性，可在強酸、強堿、高（gāo）鹽（yán）環境中長時間連續運行，有望成為*具潛力有機廢水處理技術。

    7 金（jīn）剛石量子（zǐ）技術的應用

    金剛石量子技（jì）術為21世紀的兩個（gè）關鍵問（wèn）題提供了潛在的解決方案:生物醫學和（hé）持續增長的信息經濟。金剛石有能（néng）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（shǐ）其量子態可以在（zài）室溫下使用光來操縱和讀出（chū）。在基（jī）於量子的應用中，人造金剛石充當雜質或缺陷的主體，像固態原子陷阱一樣起作用。這些（xiē）雜質的（de）量子特性，例如氮空位缺陷，可以單獨操作並使其相（xiàng）互作用，並且從這些雜（zá）質發出的光的光子可以用於讀出它們的量子信（xìn）息。

    由於（yú）金（jīn）剛石具有廣闊（kuò）的應用（yòng）前景、化學惰性（xìng）、機械硬度、表麵（miàn）改性能力、可調導電性和生物相容性等優點，金剛石作為醫療器械與人體之間的界麵被廣泛研究。金剛（gāng）石塗層已被考慮用於各種醫療設備的（de）應用，包括保護塗層、生物（wù）界麵和（hé）生物傳感（gǎn）器。大尺寸的單晶/多晶金剛石可以製（zhì）成鋒利的刀片（piàn）。納米金剛石根據其特性可以用作運輸（shū）藥（yào）物和具有標（biāo）記特性的靶向材料。

    8 納米金剛石潤滑油

    納米金剛石具有較大的表麵積，且表麵有著豐富的官能團，這些特性使其表麵具有特（tè）殊的吸附（fù）性，易於發生化學反應，故（gù）經（jīng）過處理的球形納米金剛石在潤滑（huá）油中有著良好的分散性。近年來，大量的實驗表明，在潤滑油中加入千分之一的球形納米金剛石就能有效地提高潤滑油（yóu）的抗（kàng）磨減震效果（guǒ），而且可以（yǐ）廣泛應用於各種（zhǒng）機械結構中（zhōng）。