金剛石功能化應用領域介紹

  金剛石具有優良的電學性能：超寬的帶隙，超高的擊穿場強，高（gāo）電子和空穴遷移率，有望（wàng）成為“**半導（dǎo）體”；在聲學上，金剛（gāng）石在所有材料中具有*高的表麵聲波速度和極高的楊氏模量；在光學上，金剛（gāng）石可（kě）透過從遠紅（hóng）外到紫外小於帶隙能量的光子；在熱學上，其導熱性超過銅，因此金剛石具有跨領（lǐng）域應用的潛力。表1顯示了金剛石材（cái）料的性能與其對應的應用領（lǐng）域。

表1. 金剛石材（cái）料的性能

功能金剛石的合成

    相對於傳（chuán）統金剛石高溫高壓(HPHT)合成方法，功能金剛石主要采用(常壓（yā）)化學氣相沉積(CVD)的方法。CVD金剛石分為CVD薄膜(常規金剛石（shí）膜、納（nà）米金剛石膜，厚度小於50μm)和自支撐型厚膜(單（dān）晶金剛石和多晶金剛石)。按合（hé）成技術分為微波輔助型(MPCVD)、熱絲型（xíng）和直流型。MPCVD技術是目前主流的合成高質量金（jīn）剛石的方法。不同CVD技術的（de）比較見表2所示。

表2. CVD合成金剛石（shí）的（de）主要（yào）方法及特點

功能（néng）金剛石的應用

    1 寶石級的人造金剛石

    高溫高壓(HTHP)方法是製造（zào）培（péi）育鑽石（shí）的主（zhǔ）要方（fāng）法。化學氣相沉積(CVD)製造培育鑽石方法（fǎ），近三年突飛猛進，成本大幅減低（dī），工藝穩（wěn）定性取（qǔ）得明顯（xiǎn）進展，已量產並（bìng）工業批量投放市（shì）場。

    2 金剛石半導體

    金剛（gāng）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（zǐ）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（bàn）導（dǎo）體（tǐ）材料，禁帶寬（kuān）度約為5.5eV，熱導率高達22W/(cm·K)。室（shì）溫（wēn）電（diàn）子和空穴遷移率高達4500cm²/(v·S)和3800cm²/(v·S)，遠高於第（dì）三代半（bàn）導體材料GaN和SiC。另外，由於金剛（gāng）石具有很大的激子束縛能(約（yuē）80meV)，使其在室溫下可實現高強度的自由激子發（fā）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，在極紫外深紫外和高能粒子探測器的研製中也發揮著重要作用（yòng）。另外，對於（yú）單（dān）晶金剛石襯底材料的生長，還（hái）要有（yǒu）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（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，隨著金剛石半導體技術的不斷發展，未來必將（jiāng）突破（pò）n型摻雜技術、大尺寸高（gāo）質量單晶製備及高（gāo）平（píng）整度、高均勻性材料外延技（jì）術等瓶（píng）頸問題，實現更高功率性能的金剛石電子器件，從（cóng）而為消費者創造更快、更輕、更簡單的（de）設備。金剛石半導體器件比矽芯（xīn）片更便宜、更薄，基於金剛石（shí）的電子產品很可能（néng）成為高能效電子產品的行業標準，其將對一些高新行（háng）業和****產品產生（shēng）顯著影響，包括（kuò）更快的超級計算機、先進的雷達和電信係統、超高效混合動力（lì）汽車、極端（duān）環境中的電（diàn）子設備以及下一代航空航天電子設備等。

    3 金剛（gāng）石的熱學應用

    金剛石具有（yǒu）目前所知的天然物質中（zhōng）*高的熱導率(2200W/(m·K))，比（bǐ）碳化矽(SiC)大4倍，比矽(Si)大（dà）13倍，比砷化稼(GaAs)大43倍，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。是一種具有良好（hǎo）前景的優異的電子（zǐ）封裝材料（liào）。典型的應用有金（jīn）剛石（shí）增（zēng）強金屬封裝材料（Dianmond/Cu、Diamond/Al）和熱沉-金剛石襯底GaN器件等（děng）。金剛石增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（zào）金剛石（shí）價格大（dà）幅降低，單位體積（jī）金剛石顆粒的價格已接近甚至低於W、Mo等（děng）難熔金（jīn）屬的價格，為大規模（mó）生產創造了必備（bèi）的條件。

    極高的導熱係數與（yǔ）電絕（jué）緣相結合，使得金剛石成為許多（duō）高（gāo）功率密度設備的**散熱器。激光二極管結處散熱（rè）就是CVD金（jīn）剛（gāng）石的*早應用之一。*近，在晶圓數量級上，CVD金剛石（shí）與GaN的集（jí）成已經成為（wéi）可（kě）能，這種集成允（yǔn）許在無線電頻（pín）率下實現更高的功率密度。

    4 光學應用

    理想的電力傳輸窗（chuāng）口將具有：

    (a)非常低的總吸收(窗（chuāng）口和塗層（céng）的吸收係數×窗口厚度。

    (b)低熱膨脹係數(幾何（hé）形狀隨溫度的變化較小)。

    (c)高導熱率(將熱量（liàng）從加熱物體中散開的能力)。

    (d)高強度和楊氏模（mó）量(允許使（shǐ）用更薄的窗口)。

    (e)折射率隨溫度變化（huà）小。

    金（jīn）剛石幾乎全部滿足上述要求，多（duō）晶（jīng）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（yòng），金剛石的塗層不僅具（jù）有閃光（guāng）效果還（hái）有多（duō）種顏色。用於高端鍾（zhōng）表的（de）製造，奢侈品（pǐn）的裝飾性塗層以及直接作為時尚製品。金剛石（shí）其強度和硬度（dù）是康寧（níng）玻璃（lí）的6倍和（hé）10倍，因此也被應用於手機顯（xiǎn）示（shì）屏和照相機鏡頭。

    5 金剛石聲學（xué）器件

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

    金剛石，可（kě）以在高達70kHz的頻率下保持完美的振動（dòng）運動而不失真，從而提供幾乎（hū）完美的聲音再現。此外金（jīn）剛石還具有*高（gāo）的聲表麵波速，是用於（yú）聲表麵波濾波器的**材料，能夠提高濾波頻（pín）率和（hé）功率承受能力。

    6 摻硼（péng）金剛（gāng）石(BDD)電（diàn）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（liào）、農藥、抗生素、內分泌（mì）幹擾物等多種難降解的有機汙染物、大分子物質等都（dōu）表現出了很好的去除（chú）效果（guǒ），幾乎都可實現完全礦化（huà），是一種環境友好型的汙染治理方法，因而得到了（le）越來越多的關注。

    采用摻硼金（jīn）剛石（shí）(BDD)作為（wéi）電極的電化學氧（yǎng）化（huà）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，這類電（diàn）極具有*寬的電化學窗口、極高的（de）析氧電（diàn）位、極好的化學穩定性，可在（zài）強酸、強堿、高鹽環境中長（zhǎng）時間（jiān）連續運行，有（yǒu）望成為*具潛力有機廢（fèi）水處理技術。

    7 金剛（gāng）石量子技術的應用

    金剛石量子技（jì）術為21世紀的兩個關鍵（jiàn）問題提（tí）供（gòng）了潛在的解決方案:生（shēng）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（liàng）子資源，這種缺陷是特定的（de），即氮空位（wèi）缺陷(NV)，其獨特的性質（zhì）使其（qí）量子態可以在室溫下使用光來操縱和讀出。在基於量子（zǐ）的應用中，人造金剛石充當雜（zá）質或缺陷的（de）主體，像固態原子陷阱一樣（yàng）起作用（yòng）。這些雜質（zhì）的量子特性，例如氮空位缺陷，可以單獨操作並（bìng）使其相互作用，並且從這些雜質發出的（de）光的光（guāng）子可以（yǐ）用於讀出它們的量子信息（xī）。

    由（yóu）於金剛（gāng）石具有廣闊的應用前景、化學惰性、機械硬度、表麵改性能力、可調（diào）導電性和生物相容性等優點（diǎn），金剛石（shí）作為（wéi）醫療器械與（yǔ）人（rén）體之間的界麵被廣泛研究。金剛石塗層已（yǐ）被考慮用於各種（zhǒng）醫療設備的應用，包括保護塗層、生物（wù）界麵和生物傳感器（qì）。大尺寸的單晶/多晶金剛石可以製成鋒利的刀片。納米（mǐ）金剛石根據其特性可以用作運輸藥物和具有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）麵積，且表麵有著（zhe）豐（fēng）富的官能團，這些特性使其表麵具有特殊的吸附（fù）性，易於發生化（huà）學反應，故經過處理的球形納米金剛石在（zài）潤滑油中有（yǒu）著良好的（de）分散性。近年來（lái），大量的實驗（yàn）表明，在潤滑油中加入千分之一的（de）球形納米（mǐ）金剛石就能有效地提高潤滑油的抗磨減震（zhèn）效（xiào）果，而且可以廣泛應用（yòng）於各種機（jī）械結構中。