金剛石功能化應用領域介（jiè）紹

  金剛石具有優良的電學性能（néng）：超寬的（de）帶隙（xì），超高的（de）擊穿（chuān）場強（qiáng），高電子（zǐ）和空穴遷移率，有（yǒu）望成為“**半導體（tǐ）”；在（zài）聲學上，金剛石在所有材料中具有（yǒu）*高的表麵（miàn）聲波速度和極高的楊氏（shì）模量；在光學上，金剛石可透過從遠紅外到紫外小（xiǎo）於帶隙能量的光子；在熱學上，其導熱性超過銅，因此金剛石具有跨領域應（yīng）用的潛力。表1顯示了金剛石材料的性能與其對應的（de）應用領域。

表1. 金剛石材料的性能

功能金剛（gāng）石的合成

    相對於傳統（tǒng）金剛（gāng）石高溫高壓(HPHT)合（hé）成方法（fǎ），功能金剛石主（zhǔ）要采用(常壓（yā）)化學氣相（xiàng）沉積(CVD)的方法。CVD金剛石分（fèn）為CVD薄膜(常規金剛石膜、納米（mǐ）金剛石膜，厚度小於50μm)和自支撐（chēng）型厚（hòu）膜(單晶金剛石和多晶金剛石)。按合成技術（shù）分為微波輔助型(MPCVD)、熱絲型和直流型。MPCVD技術是目前主流的合成高質（zhì）量金剛石的方法。不同CVD技術的比較見表2所示。

表（biǎo）2. CVD合成金剛（gāng）石的主（zhǔ）要方法及特點

功能金剛石的應用

    1 寶石級的人造金剛石

    高溫高壓(HTHP)方法是（shì）製造培育鑽石的主要方法。化學氣（qì）相沉積(CVD)製（zhì）造（zào）培育鑽石方法，近（jìn）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（fàng）市場（chǎng）。

    2 金剛石半導體

    金剛石被認為（wéi）是（shì）製備下一代高功率、高頻、高（gāo）溫及低功率損耗電子器件*有希（xī）望的材（cái）料，被業界譽為“**半導體”。金剛石為間接帶隙半導（dǎo）體（tǐ）材料，禁（jìn）帶（dài）寬度約（yuē）為5.5eV，熱導率高達22W/(cm·K)。室溫（wēn）電子和空穴遷移率（lǜ）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（shè）(發光波長（zhǎng）約為（wéi）235nm)，在製備大功率深紫外（wài）發光二極管方麵具有很大的潛力，在極紫外深（shēn）紫（zǐ）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（cái）料的生長，還要有高的生長速率以及大的晶體尺寸，同時（shí）要（yào）實現金（jīn）剛石的半導體功能需要對其進行有效的摻雜，使其具備良好（hǎo）的n型或p型導電性質。

    可以展（zhǎn）望，隨著（zhe）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（dà）尺寸高質量單晶製備及（jí）高平整度、高均勻性材料外延技術等瓶頸（jǐng）問（wèn）題（tí），實現更（gèng）高（gāo）功率（lǜ）性能的金剛石電子器件（jiàn），從而為消費者創（chuàng）造更快、更輕、更簡單的設備。金剛石半導體器件比矽芯片更便宜、更（gèng）薄，基於金剛石的電子產品很可能成為高能效電子（zǐ）產品的行業標準，其將對一些高新行業和****產品產生（shēng）顯著影響，包括更快的超（chāo）級計算機、先進的（de）雷達和電信係統、超高效混合（hé）動力汽車、極端環境中（zhōng）的電子（zǐ）設備以及下一代（dài）航空航天電子設備等。

    3 金剛石的熱學應用

    金剛石具（jù）有目前所知的天然（rán）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（shì）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（de）彈性模量等優良性能。是一種（zhǒng）具（jù）有良好前景的優異的電子封裝材料。典型的應用有金（jīn）剛石增強金屬封裝材料（Dianmond/Cu、Diamond/Al）和（hé）熱沉-金剛石（shí）襯底GaN器件等。金（jīn）剛石增強金屬基（jī）封裝材料已經商用，其熱導率已可達到 350~ 600W / (m·K)，隨著人造金剛石價格大幅降低，單位體積金剛石顆（kē）粒的價格已接近甚至（zhì）低於W、Mo等難熔金屬的價格，為大規模生產創造了必備的條件。

    極高的導熱係數與電絕緣（yuán）相結合，使得金剛石成為許（xǔ）多高功率密度設備的**散熱器。激光二極管結處散熱就是CVD金剛石的*早應用之一。*近（jìn），在晶圓數（shù）量（liàng）級（jí）上，CVD金剛石與GaN的集（jí）成已經成（chéng）為可能（néng），這（zhè）種集成允許在無線（xiàn）電頻率下（xià）實現更高的功率（lǜ）密度。

    4 光學應用

    理想的電力傳輸窗口將具有（yǒu）：

    (a)非常低的總吸收(窗口和塗層的吸收係數×窗口厚度。

    (b)低熱（rè）膨脹係數(幾何形狀隨溫度的變化較小)。

    (c)高導熱率(將熱（rè）量從加熱（rè）物體中散開的（de）能力)。

    (d)高強度和楊氏模量(允許使用更薄的窗口)。

    (e)折射率（lǜ）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，部分已產業化。

    除了光學窗口外，多晶金剛石還具有裝飾作用，金剛石的（de）塗層不僅具有（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（shì）性塗層以及直（zhí）接作為時尚製品。金（jīn）剛石其強度和硬（yìng）度是康寧（níng）玻璃的6倍和（hé）10倍，因此也被應用於手機顯（xiǎn）示屏和照相機鏡（jìng）頭。

    5 金剛石聲學器件

    金剛（gāng）石密度低，楊氏模量和（hé）強度高，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（bǎo）持完美的振動運動而（ér）不失真，從而提供幾乎完美的聲音再現。此外金（jīn）剛石還具有*高的聲表（biǎo）麵波速，是用（yòng）於聲表麵（miàn）波濾（lǜ）波器的**材料，能夠提高濾波（bō）頻率和功率承受能力。

    6 摻硼金剛石(BDD)電極

    研究表明BDD是一種環保新型（xíng）電極材料（liào），作為陽（yáng）極的電化學法對染料、農藥、抗生素、內分泌幹擾物等多種難（nán）降解的有機汙染物、大分子物質等（děng）都表現出了很（hěn）好的去除（chú）效果，幾乎都可（kě）實現完全（quán）礦化，是一種環境友好（hǎo）型的汙染治理方法，因而得到了越來越多的關注（zhù）。

    采用摻（chān）硼金剛石（shí）(BDD)作為電極的電化學氧（yǎng）化法，利用在水中產生具有強氧化性能的羥（qiǎng）基自由（yóu）基(·OH)，能快速高效地（dì）降解汙（wū）水中（zhōng）的有機物，這類電極（jí）具有（yǒu）*寬（kuān）的電化學窗口、極高的析氧電位、極好的化學穩定性，可在強酸、強堿（jiǎn）、高鹽環境中長時間（jiān）連續運行，有望成為*具潛力（lì）有（yǒu）機廢水處理技術。

    7 金剛石量子技術的應用

    金剛石量子技術為21世紀的兩（liǎng）個關鍵問題提供了（le）潛在（zài）的解決方案:生物醫學和持續增（zēng）長的信息經濟。金剛石有能（néng）力將缺陷變成量子資源，這（zhè）種缺陷是（shì）特定的，即氮空位缺陷(NV)，其獨特的性質使其量子態可以在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缺陷的主體，像固態原子陷（xiàn）阱一樣起作用。這些雜質（zhì）的量子特性，例如氮空位缺陷，可以單獨操作並使（shǐ）其相互作用，並且（qiě）從這些雜質發出的光的光子可以用於讀出（chū）它們的量子信息。

    由於金剛（gāng）石具有廣闊的應用前景、化（huà）學惰性、機械硬度、表麵改性能力、可調導電性和生物相（xiàng）容性等優點，金剛石作為醫療器（qì）械與（yǔ）人體之間的界麵（miàn）被廣泛研究（jiū）。金剛石塗層已被考慮用於各種醫療設備的應用，包括保護塗層、生物界麵和生物傳感器。大尺寸（cùn）的單晶（jīng）/多晶金剛石可以（yǐ）製成鋒利的刀片。納米金剛石根據其特性可以用作運輸藥物和具有（yǒu）標記特性（xìng）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（zhe）豐富的官能團，這些特性使其表麵具有特殊的吸附性（xìng），易於發生化學反應，故經過處理的球形納米金剛（gāng）石在潤滑油中有著良（liáng）好的分散性（xìng）。近年來，大量（liàng）的實驗表明，在（zài）潤滑（huá）油（yóu）中加入千分之一的球形（xíng）納米金剛石就（jiù）能有效地提高潤滑油的抗磨減震效（xiào）果，而且可以廣泛應用於各種（zhǒng）機械（xiè）結構中。