金剛石功（gōng）能化應（yīng）用領域介紹

  金（jīn）剛石具有優（yōu）良的電（diàn）學性能：超寬的帶隙，超高的擊穿（chuān）場強，高電（diàn）子和空穴遷移率，有望成為“**半導體”；在聲學上，金剛石在所（suǒ）有材（cái）料中（zhōng）具（jù）有*高的表麵聲波速度和極高的楊氏（shì）模量；在（zài）光學上，金剛（gāng）石可透過從遠紅外到紫外小於帶隙能量的光子；在熱學上（shàng），其導熱（rè）性超過銅，因此金剛石具有跨領域應用的潛力。表1顯示（shì）了金剛（gāng）石材（cái）料的性能與其對（duì）應的應用（yòng）領域。

表1. 金剛石材料的性能

功（gōng）能金剛石的合成

    相（xiàng）對（duì）於傳統金剛石高溫高壓(HPHT)合成方法，功能金剛石主（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（nà）米金剛石膜，厚度小於（yú）50μm)和自支（zhī）撐型厚膜(單晶金剛（gāng）石和多晶金剛石)。按合成技術分（fèn）為微（wēi）波輔助型(MPCVD)、熱（rè）絲型和直流型。MPCVD技術（shù）是目（mù）前主流（liú）的合成高質量金剛石的方法。不（bú）同（tóng）CVD技術的比較見表2所示。

表2. CVD合成金剛石的主要方法（fǎ）及特點

功能金剛石的應用

    1 寶（bǎo）石級的人造金剛石（shí）

    高溫高壓(HTHP)方法是製造（zào）培育鑽石的主要（yào）方（fāng）法。化學（xué）氣（qì）相沉積（jī）(CVD)製造培育鑽石方法，近三年突飛猛進，成本大幅（fú）減低，工藝（yì）穩定性取得明顯進展，已量產並工業批量投放市場。

    2 金剛石半（bàn）導體

    金剛石被認為是製備下一代高功率、高頻、高溫及低功率損耗電子器件*有希望的材料，被業界譽為“**半導體”。金剛石為間接帶隙半導（dǎo）體材料，禁帶寬度約（yuē）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3800cm²/(v·S)，遠高於第三代（dài）半導體材料GaN和SiC。另外，由於金（jīn）剛石具有很大的激子束縛（fù）能(約80meV)，使其在室溫（wēn）下可實現（xiàn）高強度的自由激（jī）子發射(發光波長約為235nm)，在製備大功率深紫外發（fā）光（guāng）二極管方麵具有很大的潛力，在極紫外深紫外（wài）和高能粒子探（tàn）測器的研製（zhì）中也發揮著重要作用。另外，對（duì）於單晶金剛石襯底材料的生長，還（hái）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導體功能需要對其（qí）進行有效的摻雜，使其具備良好的（de）n型或p型導電性質。

    可以展望，隨著金剛石半導體技術的不（bú）斷發展，未（wèi）來必將突破n型摻雜技術、大尺寸高質量單晶製（zhì）備（bèi）及高平（píng）整度、高均勻性材料（liào）外延技術（shù）等瓶頸問題，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快（kuài）、更輕、更簡單的設備。金剛石半導體器件比矽芯片更便宜、更薄，基於金（jīn）剛石（shí）的電子產品很可能成為（wéi）高能效電子產品的行業標準，其將對一些高（gāo）新行業和****產品產生顯著影響，包括更（gèng）快的超級計算機、先進的雷達和電信係統、超高效混合動力汽車、極端環境中的電子設備以及下一代航空航天電子設（shè）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（huà）矽(SiC)大4倍，比矽(Si)大13倍，比砷化稼(GaAs)大43倍，是銅（tóng）和銀的4~5倍（bèi），低的熱（rè）膨脹係數(0.8×10^-6~1.5×10^-6K^-1)和（hé）高（gāo）的彈性模量（liàng）等優良性能。是（shì）一種具有良好前（qián）景的（de）優異的電子封裝材料。典型（xíng）的（de）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。金剛石（shí）增（zēng）強金屬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（jīn）剛石價格大幅降低，單位（wèi）體積金（jīn）剛石顆（kē）粒的（de）價格已接近甚至低於W、Mo等難熔金屬的（de）價格，為大規（guī）模生產創造了必備的條件。

    極高的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（chù）散熱就是CVD金剛石的*早應用之一。*近（jìn），在晶圓數（shù）量級上，CVD金剛石與GaN的集成已經（jīng）成為可能，這種集成允（yǔn）許在無線電頻率下實現更高的（de）功率密度。

    4 光學應用

    理想的電力傳輸窗口將具有：

    (a)非常（cháng）低的總吸收(窗口和塗層的吸收係數×窗口厚度（dù）。

    (b)低熱膨脹係數(幾何形（xíng）狀隨溫度的變化較小（xiǎo）)。

    (c)高導熱率(將熱量從加熱物體中散（sàn）開的能力)。

    (d)高強度和楊氏模量(允許使用（yòng）更（gèng）薄的窗口)。

    (e)折射率（lǜ）隨溫度變化小。

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

    除（chú）了光學窗口外，多晶金剛（gāng）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。用於高端鍾表的製造，奢（shē）侈品的裝飾性塗層以及直接作為時尚製品。金剛石其強度和（hé）硬度是康寧玻璃（lí）的6倍和（hé）10倍，因此也被應用（yòng）於手機顯示屏（píng）和照相機鏡頭。

    5 金剛石聲學器件

    金剛石密度（dù）低（dī），楊氏模量和強度高，這使得它成為一種（zhǒng）高性能的高頻（pín）聲材料。

    金剛石，可以在高達70kHz的頻率下保持完（wán）美的（de）振動運動而不失真，從而提供幾乎（hū）完美的聲音再現。此外金剛石還具有（yǒu）*高的聲表麵波速，是用（yòng）於聲表麵波濾波器的**材料，能夠提（tí）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是一種環保新（xīn）型電極材料，作為陽極的電化學法（fǎ）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（xiào）果，幾乎（hū）都可實現完全礦化，是一種環境友好型的汙染治（zhì）理方法，因而得到了越來越多的關注。

    采用摻硼（péng）金剛石(BDD)作為電極的電化學氧化法，利用在水中產生（shēng）具（jù）有強氧（yǎng）化性能的羥基自由基（jī）(·OH)，能快速高效地降解汙水中的有（yǒu）機物（wù），這類電極具有*寬的電化學窗口、極高的（de）析（xī）氧電位、極好的（de）化學穩定性，可在強酸、強（qiáng）堿、高鹽（yán）環境（jìng）中長（zhǎng）時間連續（xù）運行，有（yǒu）望成為*具（jù）潛（qián）力有機（jī）廢水處理技術。

    7 金剛石量子技術的應用

    金剛石量子技術為（wéi）21世紀的兩個關鍵問題提（tí）供了潛在的解決方（fāng）案:生物醫學和（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（dàn）空位缺（quē）陷(NV)，其獨特的性質使其量子態（tài）可以在室溫下使用光來操縱和讀出。在基（jī）於量子的應（yīng）用中，人造金剛石充當雜質或缺陷的主體，像（xiàng）固態原子（zǐ）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（dān）獨（dú）操作並使其相互作（zuò）用，並且從這（zhè）些雜質發出的光的光子可以（yǐ）用於讀出它們的量子信息。

    由於金（jīn）剛石（shí）具有廣闊的應用前（qián）景、化學惰性、機械硬（yìng）度、表（biǎo）麵改性（xìng）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。金剛石塗層已被考慮用於各種醫療設（shè）備的應用，包括保護塗層（céng）、生物界麵和生物傳感器。大尺寸的單晶/多晶金剛石可以製成鋒利的刀（dāo）片。納米金（jīn）剛石根據其特性可以用作運輸藥物和具（jù）有標記特性的靶向材（cái）料。

    8 納米金剛石（shí）潤滑油

    納（nà）米金剛（gāng）石具有（yǒu）較大的表麵積，且表（biǎo）麵有著豐富的官能團，這些特性使其表麵具有特殊的吸附性，易於發生化學（xué）反應，故經過處理的球形納米金剛石在潤滑（huá）油中有著（zhe）良（liáng）好的分（fèn）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的抗磨（mó）減震效果，而且可以廣泛應用於各種機（jī）械結構中。