金剛石功能（néng）化應用領域介紹

  金剛石具有優良的電學性能（néng）：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（shàng），金剛石在所有材料中具有*高的（de）表麵聲波（bō）速度和極高的楊氏模量；在光學（xué）上，金剛石可透（tòu）過從遠（yuǎn）紅外到紫外（wài）小於帶隙能量的光子；在熱學上（shàng），其導熱（rè）性超過（guò）銅，因此金（jīn）剛石具有跨領域（yù）應用的潛力。表1顯示了金剛石（shí）材料的性能與其對應的應用領（lǐng）域。

表1. 金剛石材料（liào）的（de）性能

功能金剛石的合成

    相對於傳統金剛石高溫高壓(HPHT)合（hé）成方法，功能（néng）金剛石主要采用(常壓)化學氣相沉積(CVD)的方法。CVD金（jīn）剛石分為CVD薄膜(常規金剛石膜、納米（mǐ）金（jīn）剛石膜，厚度小於50μm)和（hé）自支撐型厚膜(單晶（jīng）金剛石和多晶金剛石)。按合成技術分為微波輔助型(MPCVD)、熱絲型和直流型。MPCVD技術是目（mù）前主流的合成高質量金（jīn）剛石（shí）的方法。不同CVD技術的比較見表2所（suǒ）示。

表2. CVD合成金剛石的主要方法及（jí）特（tè）點

功能金剛石的應用（yòng）

    1 寶石級的人造金（jīn）剛石（shí）

    高溫高壓(HTHP)方法是製造培育鑽（zuàn）石的主要（yào）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（běn）大幅減低，工藝穩定性（xìng）取得明顯進展，已量產並工業批量投放市場。

    2 金（jīn）剛石半導體

    金剛石被認為是製備下一代高功率、高頻、高溫及低功率損耗電子器件*有希望的（de）材料（liào），被業界譽為“**半（bàn）導體”。金剛石為間接帶（dài）隙半導體材料，禁帶寬度約為5.5eV，熱導率高達22W/(cm·K)。室溫電子和空穴遷移率高達4500cm²/(v·S)和（hé）3800cm²/(v·S)，遠高於第三（sān）代半導體材料GaN和（hé）SiC。另外，由（yóu）於金剛石具有很大的激子束縛能(約80meV)，使其在室溫下可實現高強（qiáng）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潛力，在極紫外（wài）深（shēn）紫外（wài）和（hé）高能粒（lì）子探測器的研製中（zhōng）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（shí）的半導（dǎo）體功能需要對其進行有效的摻雜，使其具備良好的n型或p型導電性質。

    可以展望，隨著（zhe）金剛石半（bàn）導體技術的不斷發（fā）展（zhǎn），未來必將突破n型摻雜技（jì）術、大尺寸高（gāo）質量單晶製備及高平整度、高均勻性材（cái）料外延技術（shù）等瓶頸問題，實現更高功率性能的（de）金剛石電子器件，從而為消費者創造更快、更（gèng）輕、更簡單的設備。金剛石半導體（tǐ）器件比矽芯片更便宜、更薄（báo），基於金剛石（shí）的電子產品很可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****產品產生顯著影響，包（bāo）括更快的超級計算機（jī）、先（xiān）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備等。

    3 金剛石的熱學（xué）應用

    金剛石具有目前所知的天然物質中（zhōng）*高的熱導（dǎo）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，是銅和銀的4~5倍，低（dī）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。是一種具有良好前景的優異的電子封裝材料（liào）。典型的應用（yòng）有（yǒu）金（jīn）剛石增強金屬（shǔ）封裝材料（Dianmond/Cu、Diamond/Al）和熱沉-金剛（gāng）石襯底GaN器件等。金剛石增強（qiáng）金屬基封裝材料（liào）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（wèi）體積金剛（gāng）石顆（kē）粒的價格已接近甚至低於W、Mo等（děng）難熔金屬的價格，為大（dà）規模生產創造（zào）了（le）必備的（de）條件。

    極高的導熱係數與電絕緣相（xiàng）結合，使（shǐ）得金剛石（shí）成為許多高功率密度設備的**散熱器。激光二極（jí）管結處散（sàn）熱就是CVD金剛石的（de）*早應用之一。*近，在晶圓數量級上，CVD金剛石（shí）與GaN的（de）集成已經成為可能，這種集成允許在無線電頻率下實現更高（gāo）的功率密度。

    4 光學應用

    理想的電力傳輸窗口將具有（yǒu）：

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

    (b)低熱膨脹係數(幾何（hé）形狀（zhuàng）隨溫度的變（biàn）化較小)。

    (c)高導熱率(將熱量從加熱物體中散開的能力)。

    (d)高強度和（hé）楊氏模量(允許（xǔ）使用更薄的窗口)。

    (e)折射率隨溫度變（biàn）化小（xiǎo）。

    金剛石幾乎全部滿（mǎn）足上述要求，多晶金剛石在光學窗口方麵有許多應用（yòng）場景，部分（fèn）已產業化。

    除了光學窗口外，多晶金剛石（shí）還具有裝飾作用，金（jīn）剛石的塗層不僅具有閃光效（xiào）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（céng）以及直（zhí）接作為時尚製（zhì）品。金剛石其強度和硬度是（shì）康寧玻璃的6倍和10倍，因此也被應用於手機顯示屏和（hé）照（zhào）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，這使得它成為（wéi）一（yī）種高性能的（de）高頻聲材料。

    金剛石，可以在高達70kHz的頻率下（xià）保持完美的振動運動而不（bú）失真，從而提供幾（jǐ）乎完美的聲（shēng）音再現。此外金剛石還具有*高的聲表麵波速，是用於聲表麵波濾波器的**材料，能（néng）夠提高濾波頻率和功（gōng）率承受能力。

    6 摻硼金剛石(BDD)電極

    研究表明BDD是一種環保新型電極材料，作（zuò）為陽極（jí）的（de）電化（huà）學法對染料、農藥、抗生素、內分泌幹擾物等（děng）多種難降（jiàng）解的有機汙染物（wù）、大分子物質等（děng）都表現出了很好的（de）去除效果，幾乎都可實現完（wán）全礦化，是一種環境友好型的汙染治理方法，因而得到了越來越多的關（guān）注。

    采用摻硼金剛石(BDD)作為電極的電化學氧化法，利（lì）用在水中產生具有強氧化性能的羥基自（zì）由基(·OH)，能快速高效（xiào）地降（jiàng）解汙水中的有機物，這類電極具有*寬的電化學窗口、極高（gāo）的析氧電位、極（jí）好的化學穩定性，可在強酸、強堿、高鹽環境中長時（shí）間連續運行，有望成為*具潛力（lì）有機廢水處理技術。

    7 金剛石量子技術的應用（yòng）

    金剛石量子技術為21世紀的兩個關鍵問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。金剛石有能力將缺陷變成量子（zǐ）資源，這種缺陷是特定的，即氮空位缺陷(NV)，其獨特的（de）性質使其量子態可以在（zài）室溫下使用光來操縱和讀出。在基於量子的應用中，人造金剛石充當雜質或（huò）缺陷的主體，像固態原子陷阱一樣起（qǐ）作（zuò）用。這些雜質的（de）量子特性，例如氮空位缺陷，可以單獨操作並使其相互作用，並且（qiě）從這些（xiē）雜質發出（chū）的光的光子可以用於讀（dú）出它（tā）們的量（liàng）子信息。

    由於金剛石具有廣闊的應用前景、化學惰性、機械硬（yìng）度、表麵改性能力、可調導電性和生（shēng）物相容性等優點，金剛石作（zuò）為醫療器械與人（rén）體之（zhī）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應用，包括保護塗層、生物界麵和生物（wù）傳（chuán）感器。大尺寸的單晶/多晶金剛（gāng）石可以製成鋒利的（de）刀片。納米金剛石根（gēn）據其特性（xìng）可以用作運輸藥物和具有（yǒu）標記特性的靶向材料。

    8 納米金剛石潤滑油

    納米金剛石具有較大的表（biǎo）麵（miàn）積，且表（biǎo）麵有著豐（fēng）富的官能團，這（zhè）些特性使其表（biǎo）麵具有特殊的吸附性，易於發生化學反應（yīng），故經過處理的球形納米金剛石在潤滑油中有著良好的分散性。近年來（lái），大量的實驗表明，在潤滑（huá）油中加（jiā）入千分（fèn）之一的球形納米金剛石就能有效地提高潤滑油的抗磨減震效果，而且可以廣泛應用於各種（zhǒng）機械結構中。