金剛石具有(you)優良(liang)的(de)(de)電學(xue)性能：超寬的(de)(de)帶隙(xi)(xi)，超高的(de)(de)擊(ji)穿場強，高電子和(he)空(kong)穴遷移率，有(you)望成為“終極半導(dao)體”；在(zai)聲學(xue)上(shang)，金剛石在(zai)所有(you)材料中(zhong)具有(you)最高的(de)(de)表面聲波速度和(he)極高的(de)(de)楊氏模量(liang)；在(zai)光(guang)學(xue)上(shang)，金剛石可透(tou)過從遠紅外到紫外小于(yu)帶隙(xi)(xi)能量(liang)的(de)(de)光(guang)子；在(zai)熱學(xue)上(shang)，其導(dao)熱性超過銅，因此金剛石具有(you)跨領域(yu)(yu)應(ying)(ying)用(yong)(yong)的(de)(de)潛力。表1顯示(shi)了金剛石材料的(de)(de)性能與其對應(ying)(ying)的(de)(de)應(ying)(ying)用(yong)(yong)領域(yu)(yu)。

▼ 表1：金剛石材料的性能

功能金剛石的合成

       相對于(yu)(yu)傳統金(jin)(jin)剛(gang)石(shi)高溫高壓(ya)(HPHT)合成方法，功能(neng)金(jin)(jin)剛(gang)石(shi)主要采用(常壓(ya))化學氣(qi)相沉積(ji)(CVD)的方法。CVD金(jin)(jin)剛(gang)石(shi)分為(wei)CVD薄膜(mo)(常規金(jin)(jin)剛(gang)石(shi)膜(mo)、納米(mi)金(jin)(jin)剛(gang)石(shi)膜(mo)，厚(hou)度小(xiao)于(yu)(yu)50μm)和自支撐型(xing)厚(hou)膜(mo)(單晶金(jin)(jin)剛(gang)石(shi)和多(duo)晶金(jin)(jin)剛(gang)石(shi))。按合成技(ji)術分為(wei)微波輔助型(xing)(MPCVD)、熱絲型(xing)和直流型(xing)。MPCVD技(ji)術是目前(qian)主流的合成高質量金(jin)(jin)剛(gang)石(shi)的方法。不(bu)同CVD技(ji)術的比(bi)較見表(biao)2所示。

▼ 表2：CVD合(he)成金(jin)剛石(shi)的主要方(fang)法及特點

功能金剛石的應用

       ▍寶石級的人造金剛石

       高溫高壓(HTHP)方法是制造培育鉆石的主要方法。化學氣相沉積(CVD)制造培育鉆石方法，近三年突飛猛進，成本大幅減低，工藝穩定性取得明顯進展，已量產并工業批量投放市場。
       ▍金剛石半導體

       金(jin)(jin)(jin)剛(gang)(gang)石(shi)(shi)被(bei)認為是制備(bei)下一代高(gao)(gao)功(gong)率(lv)(lv)、高(gao)(gao)頻、高(gao)(gao)溫(wen)及低(di)功(gong)率(lv)(lv)損(sun)耗電(dian)子(zi)(zi)器(qi)件最(zui)有(you)(you)希望的(de)(de)(de)材料(liao)，被(bei)業界譽(yu)為“終(zhong)極(ji)半導(dao)(dao)體”。金(jin)(jin)(jin)剛(gang)(gang)石(shi)(shi)為間(jian)接帶(dai)隙半導(dao)(dao)體材料(liao)，禁帶(dai)寬度約為5.5eV，熱導(dao)(dao)率(lv)(lv)高(gao)(gao)達22W/(cm·K)。室(shi)(shi)溫(wen)電(dian)子(zi)(zi)和(he)空(kong)穴遷移率(lv)(lv)高(gao)(gao)達4500cm2/(v·S)和(he)3800cm2/(v·S)，遠高(gao)(gao)于第三代半導(dao)(dao)體材料(liao)GaN和(he)SiC。另(ling)外(wai)(wai)(wai)，由于金(jin)(jin)(jin)剛(gang)(gang)石(shi)(shi)具有(you)(you)很(hen)大的(de)(de)(de)激子(zi)(zi)束縛能(約80meV)，使(shi)其(qi)在(zai)室(shi)(shi)溫(wen)下可(ke)實現高(gao)(gao)強度的(de)(de)(de)自由激子(zi)(zi)發(fa)射(she)(發(fa)光波長(chang)約為235nm)，在(zai)制備(bei)大功(gong)率(lv)(lv)深紫外(wai)(wai)(wai)發(fa)光二極(ji)管方面具有(you)(you)很(hen)大的(de)(de)(de)潛力(li)，在(zai)極(ji)紫外(wai)(wai)(wai)深紫外(wai)(wai)(wai)和(he)高(gao)(gao)能粒子(zi)(zi)探(tan)測器(qi)的(de)(de)(de)研(yan)制中也(ye)發(fa)揮著(zhu)重要作用(yong)。另(ling)外(wai)(wai)(wai)，對(dui)于單晶金(jin)(jin)(jin)剛(gang)(gang)石(shi)(shi)襯(chen)底(di)材料(liao)的(de)(de)(de)生(sheng)長(chang)，還要有(you)(you)高(gao)(gao)的(de)(de)(de)生(sheng)長(chang)速率(lv)(lv)以及大的(de)(de)(de)晶體尺(chi)寸(cun)，同時(shi)要實現金(jin)(jin)(jin)剛(gang)(gang)石(shi)(shi)的(de)(de)(de)半導(dao)(dao)體功(gong)能需(xu)要對(dui)其(qi)進行(xing)有(you)(you)效的(de)(de)(de)摻雜，使(shi)其(qi)具備(bei)良好的(de)(de)(de)n型或(huo)p型導(dao)(dao)電(dian)性質。

       可以展望，隨著(zhu)金剛(gang)(gang)石半(ban)導(dao)體(ti)(ti)技術(shu)的(de)(de)(de)不(bu)斷發展，未來必將(jiang)突破n型(xing)摻雜技術(shu)、大尺(chi)寸(cun)高(gao)質量單(dan)晶制備(bei)及高(gao)平整度、高(gao)均勻性(xing)材料外(wai)延技術(shu)等瓶頸問題，實現更(geng)(geng)高(gao)功率性(xing)能(neng)的(de)(de)(de)金剛(gang)(gang)石電(dian)(dian)(dian)子器件(jian)，從(cong)而(er)為消(xiao)費者創造更(geng)(geng)快、更(geng)(geng)輕(qing)、更(geng)(geng)簡單(dan)的(de)(de)(de)設(she)(she)備(bei)。金剛(gang)(gang)石半(ban)導(dao)體(ti)(ti)器件(jian)比硅芯片更(geng)(geng)便宜、更(geng)(geng)薄(bo)，基于金剛(gang)(gang)石的(de)(de)(de)電(dian)(dian)(dian)子產(chan)(chan)品很可能(neng)成為高(gao)能(neng)效電(dian)(dian)(dian)子產(chan)(chan)品的(de)(de)(de)行(xing)業標(biao)準，其(qi)將(jiang)對一些高(gao)新(xin)行(xing)業和高(gao)新(xin)技術(shu)產(chan)(chan)品產(chan)(chan)生(sheng)顯著(zhu)影(ying)響，包括更(geng)(geng)快的(de)(de)(de)超(chao)(chao)級(ji)計算機(ji)、先進的(de)(de)(de)雷達和電(dian)(dian)(dian)信系統、超(chao)(chao)高(gao)效混合動力汽車、極端(duan)環(huan)境(jing)中的(de)(de)(de)電(dian)(dian)(dian)子設(she)(she)備(bei)以及下一代航空(kong)航天電(dian)(dian)(dian)子設(she)(she)備(bei)等。

       ▍寶石級的熱學應用

       金剛石具有目前所知的天然物質中最高的熱導率(2200W/(m·K))，比碳化硅(SiC)大(da)(da)(da)4倍(bei)，比(bi)硅(Si)大(da)(da)(da)13倍(bei)，比(bi)砷化(hua)稼(GaAs)大(da)(da)(da)43倍(bei)，是銅(tong)和(he)銀的(de)4~5倍(bei)，低(di)的(de)熱(re)膨脹系數(0.8×10^-6~1.5×10^-6K^-1)和(he)高的(de)彈性(xing)模(mo)量(liang)等優良性(xing)能。是一種具有良好(hao)前景的(de)優異(yi)的(de)電子(zi)封(feng)裝材料。典型(xing)的(de)應(ying)用有金(jin)(jin)剛(gang)石增(zeng)強(qiang)金(jin)(jin)屬(shu)封(feng)裝材料（Dianmond/Cu、Diamond/Al）和(he)熱(re)沉-金(jin)(jin)剛(gang)石襯底GaN器件等。金(jin)(jin)剛(gang)石增(zeng)強(qiang)金(jin)(jin)屬(shu)基(ji)封(feng)裝材料已經商用，其熱(re)導率已可(ke)達到 350~ 600W / (m·K)，隨著人造(zao)金(jin)(jin)剛(gang)石價格(ge)大(da)(da)(da)幅降低(di)，單位體積金(jin)(jin)剛(gang)石顆粒的(de)價格(ge)已接(jie)近(jin)甚(shen)至低(di)于(yu)W、Mo等難熔金(jin)(jin)屬(shu)的(de)價格(ge)，為大(da)(da)(da)規模(mo)生產(chan)創造(zao)了必備(bei)的(de)條件。

       極高的(de)(de)導熱系數與電絕(jue)緣相結(jie)合，使得金剛(gang)石成(cheng)(cheng)為(wei)許(xu)多高功率(lv)密(mi)度(du)(du)設備(bei)的(de)(de)首選(xuan)散熱器。激光二極管結(jie)處散熱就是CVD金剛(gang)石的(de)(de)最早應用之一(yi)。最近，在(zai)晶圓數量級上(shang)，CVD金剛(gang)石與GaN的(de)(de)集(ji)成(cheng)(cheng)已經(jing)成(cheng)(cheng)為(wei)可能，這種(zhong)集(ji)成(cheng)(cheng)允許(xu)在(zai)無線電頻率(lv)下實現更高的(de)(de)功率(lv)密(mi)度(du)(du)。

       ▍光學應用

       理想的電(dian)力傳輸窗(chuang)口(kou)將具有：

       (a)非(fei)常低的總吸收(shou)(窗(chuang)口和涂(tu)層(ceng)的吸收(shou)系(xi)數×窗(chuang)口厚度。

       (b)低熱(re)膨脹系數(幾(ji)何形狀隨溫(wen)度的(de)變化(hua)較(jiao)小)。

       (c)高導熱(re)率(lv)(將熱(re)量(liang)從加熱(re)物體中(zhong)散開的能力)。

       (d)高強度(du)和(he)楊氏模量(允許使用更薄的(de)窗(chuang)口)。

       (e)折射率隨溫(wen)度變(bian)化小(xiao)。

       金(jin)剛石(shi)(shi)幾乎(hu)全部滿足上述要求，多(duo)(duo)晶金(jin)剛石(shi)(shi)在光學窗(chuang)口方(fang)面有許多(duo)(duo)應(ying)用(yong)(yong)場景(jing)，部分(fen)已產(chan)業化。除(chu)了光學窗(chuang)口外，多(duo)(duo)晶金(jin)剛石(shi)(shi)還(huan)具有裝飾(shi)作(zuo)用(yong)(yong)，金(jin)剛石(shi)(shi)的涂(tu)層(ceng)不(bu)僅具有閃光效果(guo)還(huan)有多(duo)(duo)種顏色。用(yong)(yong)于高端鐘表的制(zhi)造，奢侈(chi)品的裝飾(shi)性涂(tu)層(ceng)以及直接(jie)作(zuo)為時尚制(zhi)品。金(jin)剛石(shi)(shi)其強度和(he)硬度是康寧(ning)玻璃的6倍(bei)和(he)10倍(bei)，因此也被應(ying)用(yong)(yong)于手機(ji)顯示屏和(he)照(zhao)相機(ji)鏡頭。

       ▍金剛石聲學器件

       金(jin)剛石密(mi)度(du)低，楊氏模量(liang)和強度(du)高(gao)(gao)，這使得它(ta)成為一種高(gao)(gao)性能(neng)(neng)的(de)(de)高(gao)(gao)頻(pin)(pin)(pin)聲(sheng)材料。金(jin)剛石，可以在高(gao)(gao)達70kHz的(de)(de)頻(pin)(pin)(pin)率下保持(chi)完美的(de)(de)振動(dong)運動(dong)而不(bu)失真，從(cong)而提供(gong)幾乎完美的(de)(de)聲(sheng)音(yin)再現(xian)。此外金(jin)剛石還具有最高(gao)(gao)的(de)(de)聲(sheng)表(biao)面波(bo)(bo)速，是(shi)用于聲(sheng)表(biao)面波(bo)(bo)濾波(bo)(bo)器的(de)(de)優秀材料，能(neng)(neng)夠提高(gao)(gao)濾波(bo)(bo)頻(pin)(pin)(pin)率和功(gong)率承受能(neng)(neng)力。

       ▍摻硼金剛石(BDD)電極

       研究(jiu)表明(ming)BDD是(shi)一(yi)種(zhong)環保新(xin)型電極(ji)材料，作為陽極(ji)的(de)(de)(de)電化(hua)學法對(dui)染料、農藥(yao)、抗生素、內分泌干(gan)擾物(wu)等多種(zhong)難降解的(de)(de)(de)有機污染物(wu)、大分子(zi)物(wu)質(zhi)等都(dou)表現出了很好的(de)(de)(de)去除效果(guo)，幾乎(hu)都(dou)可實現完全礦化(hua)，是(shi)一(yi)種(zhong)環境友好型的(de)(de)(de)污染治(zhi)理(li)方(fang)法，因(yin)而得(de)到了越(yue)來越(yue)多的(de)(de)(de)關注。

       采用摻硼金剛石(BDD)作為電(dian)(dian)(dian)極的(de)(de)電(dian)(dian)(dian)化(hua)學氧(yang)化(hua)法(fa)，利用在水中產生具(ju)有(you)強氧(yang)化(hua)性(xing)能的(de)(de)羥基(ji)自由(you)基(ji)(·OH)，能快速高(gao)效地降解污水中的(de)(de)有(you)機物，這類電(dian)(dian)(dian)極具(ju)有(you)最寬的(de)(de)電(dian)(dian)(dian)化(hua)學窗口、極高(gao)的(de)(de)析氧(yang)電(dian)(dian)(dian)位(wei)、極好的(de)(de)化(hua)學穩定性(xing)，可在強酸、強堿、高(gao)鹽環境(jing)中長(chang)時間(jian)連續(xu)運行，有(you)望成(cheng)為最具(ju)潛力有(you)機廢水處理技(ji)術(shu)。

       ▍金剛石量子技術的應用

       金(jin)(jin)剛石量(liang)子(zi)技術為21世紀的(de)(de)兩個(ge)關鍵(jian)問題提(ti)供了潛在(zai)的(de)(de)解(jie)決方案(an):生物醫(yi)學和(he)持續增(zeng)長的(de)(de)信(xin)息經濟。金(jin)(jin)剛石有能力將缺(que)陷(xian)變成量(liang)子(zi)資源，這種缺(que)陷(xian)是特(te)定的(de)(de)，即氮空位缺(que)陷(xian)(NV)，其(qi)(qi)獨特(te)的(de)(de)性質(zhi)(zhi)使其(qi)(qi)量(liang)子(zi)態可(ke)以(yi)在(zai)室溫下使用(yong)光來操(cao)縱和(he)讀(du)出(chu)。在(zai)基于量(liang)子(zi)的(de)(de)應(ying)用(yong)中，人造(zao)金(jin)(jin)剛石充當雜質(zhi)(zhi)或缺(que)陷(xian)的(de)(de)主體(ti)，像固態原子(zi)陷(xian)阱一樣起作用(yong)。這些雜質(zhi)(zhi)的(de)(de)量(liang)子(zi)特(te)性，例如氮空位缺(que)陷(xian)，可(ke)以(yi)單獨操(cao)作并(bing)使其(qi)(qi)相互作用(yong)，并(bing)且從這些雜質(zhi)(zhi)發出(chu)的(de)(de)光的(de)(de)光子(zi)可(ke)以(yi)用(yong)于讀(du)出(chu)它們的(de)(de)量(liang)子(zi)信(xin)息。

       由于(yu)金(jin)剛石(shi)具(ju)有廣闊的應(ying)用前景(jing)、化學惰性(xing)、機(ji)械(xie)硬(ying)度(du)、表(biao)面(mian)改性(xing)能力、可調導電性(xing)和(he)(he)生物(wu)相容性(xing)等優點，金(jin)剛石(shi)作為(wei)醫療器械(xie)與(yu)人體之間的界面(mian)被廣泛研究。金(jin)剛石(shi)涂(tu)層(ceng)已(yi)被考慮用于(yu)各種醫療設備的應(ying)用，包括(kuo)保護涂(tu)層(ceng)、生物(wu)界面(mian)和(he)(he)生物(wu)傳感(gan)器。大尺寸的單晶/多晶金(jin)剛石(shi)可以制成(cheng)鋒利的刀片。納米金(jin)剛石(shi)根據其特性(xing)可以用作運(yun)輸藥物(wu)和(he)(he)具(ju)有標記特性(xing)的靶向(xiang)材料。

       ▍納米金剛石潤滑油

       納米(mi)(mi)金(jin)剛石具有(you)較(jiao)大的(de)(de)表面積，且(qie)表面有(you)著(zhu)豐富的(de)(de)官能(neng)團，這(zhe)些特性(xing)(xing)使其表面具有(you)特殊(shu)的(de)(de)吸(xi)附(fu)性(xing)(xing)，易于發生(sheng)化學(xue)反應，故經(jing)過處理的(de)(de)球形納米(mi)(mi)金(jin)剛石在(zai)潤(run)(run)滑(hua)油中(zhong)有(you)著(zhu)良好的(de)(de)分散性(xing)(xing)。近年來，大量(liang)的(de)(de)實驗表明，在(zai)潤(run)(run)滑(hua)油中(zhong)加入千分之一(yi)的(de)(de)球形納米(mi)(mi)金(jin)剛石就能(neng)有(you)效地提(ti)高潤(run)(run)滑(hua)油的(de)(de)抗磨(mo)減震效果，而(er)且(qie)可以廣泛應用于各種機械結構中(zhong)。