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（qiáng），高電子和（hé）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*高的表（biǎo）麵聲（shēng）波速度和極高的楊氏模量；在光學上（shàng），金剛石可透過從遠紅外到紫外（wài）小（xiǎo）於帶隙（xì）能量的光子（zǐ）；在熱學上，其導熱性超過銅，因此金（jīn）剛石具有跨（kuà）領域應用的潛力。表（biǎo）1顯示了金剛石材料的性能與其對應的應用領域。

表1. 金剛石材（cái）料的性能

功能金剛石的合（hé）成

    相對於傳統金剛石高溫高（gāo）壓(HPHT)合成方法，功能金剛石主要采用(常（cháng）壓)化（huà）學氣相沉積(CVD)的方法。CVD金剛石分為CVD薄膜（mó）(常規金剛石膜、納（nà）米金剛石膜，厚（hòu）度小於50μm)和（hé）自支撐型厚膜(單晶金剛石和多晶金剛石)。按（àn）合（hé）成技術分為微波輔助型(MPCVD)、熱絲型和（hé）直流型。MPCVD技術（shù）是目前主流的合（hé）成高質量金剛石的方法。不同CVD技術的比較見表2所示。

表2. CVD合成金剛石（shí）的主要方法及特點

功能金剛石的應用

    1 寶石級的（de）人造金剛石

    高溫高壓(HTHP)方法（fǎ）是製造培育鑽石的主要方法（fǎ）。化學氣相沉積(CVD)製造培育鑽石方（fāng）法（fǎ），近三年突（tū）飛猛進，成（chéng）本（běn）大幅減低，工藝穩定性（xìng）取（qǔ）得明顯進展，已（yǐ）量產並（bìng）工業批量投放市場。

    2 金剛石半導體

    金剛（gāng）石被認為（wéi）是製（zhì）備下一代高功率、高頻、高溫及低功率損耗電（diàn）子器件*有希望的材料，被業界譽為“**半導體”。金剛石為（wéi）間接帶隙半導體材料，禁帶寬度約為（wéi）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)，遠高於第三代半（bàn）導（dǎo）體材料（liào）GaN和（hé）SiC。另外，由於金剛石具有很大的激子束縛（fù）能(約80meV)，使其在室溫下（xià）可實現高強度的自由激子發射(發光（guāng）波長約為235nm)，在製（zhì）備大（dà）功率深（shēn）紫外發光二極管方麵具有很大的潛力（lì），在極紫外深（shēn）紫外和高能粒子探測器（qì）的研製中也發揮著重要作用。另外，對於單晶金剛石襯底材料的生長，還要有（yǒu）高的生長速率以（yǐ）及大（dà）的晶體尺寸，同時要實現金剛石的半導體功能需要對其進行有效的摻雜（zá），使其具（jù）備良好的（de）n型或p型導電性質。

    可以（yǐ）展望，隨著金剛石半導體技術的不斷發展，未來必將突破n型摻雜（zá）技術、大尺寸高質量單晶製備及高平整度（dù）、高均勻性材（cái）料外延技術等瓶頸問題，實現更高功率性能（néng）的金剛（gāng）石（shí）電子器件，從而為消費者創（chuàng）造更快（kuài）、更輕、更簡（jiǎn）單的設備（bèi）。金剛石半導體器件比矽芯片更便（biàn）宜、更薄，基於金剛石的電子（zǐ）產品（pǐn）很可能成（chéng）為高能效電（diàn）子產品的行業標準（zhǔn），其（qí）將對（duì）一些高（gāo）新行業和****產品產生顯著影響，包括更快（kuài）的超級計算機（jī）、先進的雷達和電信係統、超高效（xiào）混合動力汽車、極端環境中的電子設備（bèi）以及下一代航空航天（tiān）電子設備（bèi）等。

    3 金剛（gāng）石的熱（rè）學應用

    金剛石具（jù）有目前所知的天然物質中*高（gāo）的熱導（dǎo）率(2200W/(m·K))，比碳（tàn）化矽（guī）(SiC)大4倍，比矽(Si)大13倍（bèi），比砷化稼(GaAs)大43倍，是銅和銀的4~5倍（bèi），低的熱膨脹係數(0.8×10^-6~1.5×10^-6K^-1)和（hé）高的彈性模量等優良性能。是一種具有良好前景的優異的（de）電子封裝材料。典型的應用有金（jīn）剛石增強金屬（shǔ）封裝材料（liào）（Dianmond/Cu、Diamond/Al）和熱沉-金剛石襯底GaN器件等。金剛石（shí）增強金屬基封裝材料已經商用，其熱導（dǎo）率已可（kě）達（dá）到 350~ 600W / (m·K)，隨著（zhe）人造金剛（gāng）石（shí）價格大幅降低，單位體積金剛石顆（kē）粒（lì）的價格已接近甚至低於（yú）W、Mo等難熔金屬的價格，為大規模生產創造了必（bì）備的（de）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（qì）。激光二極管結處散熱就是（shì）CVD金剛石的（de）*早應用之一。*近，在晶圓數量級（jí）上，CVD金剛石與GaN的集成已經成為可能，這種（zhǒng）集成允許在無線電頻率下實現更高的功率（lǜ）密度（dù）。

    4 光學應用

    理想的電力傳輸窗口將具有：

    (a)非常低的總吸收(窗口和（hé）塗層的吸收係數×窗口厚度。

    (b)低熱膨脹係數(幾何形狀隨（suí）溫度的變化較小)。

    (c)高導熱率(將熱量從加（jiā）熱物（wù）體中散開的能力)。

    (d)高強度和楊氏模量(允（yǔn）許使用更薄（báo）的（de）窗口)。

    (e)折射（shè）率隨溫（wēn）度變化小（xiǎo）。

    金（jīn）剛石幾乎全部滿足上述（shù）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。

    除了光學窗口外，多晶金剛石（shí）還具有裝飾作用，金剛石的塗層不僅具有閃（shǎn）光效果還有多種顏色。用於高端鍾表的製造，奢侈品的裝飾性塗層以及直接作為時尚製品。金剛石其強度和硬（yìng）度是康寧（níng）玻璃的6倍和10倍，因此也被應用於手機顯示屏和照相機鏡頭。

    5 金剛石聲學器件

    金剛石密度低，楊氏模量和強（qiáng）度高，這使得它成為一種高性能的高頻聲材料（liào）。

    金剛石，可以在高達（dá）70kHz的頻率下保持完（wán）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*高的聲表麵波速，是用於聲表麵波濾波器的**材料（liào），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（biǎo）明BDD是一種環保新型電極材（cái）料，作為陽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（jiàng）解的（de）有機汙染物、大分子物質等都表現出了很好的（de）去除效果，幾（jǐ）乎都可實（shí）現（xiàn）完全礦化，是一種環境友好型（xíng）的汙染治理（lǐ）方法，因而得到了越來越多的關注。

    采用摻硼金剛石(BDD)作為電（diàn）極的電化學（xué）氧化法，利用在水中產生具有強氧化性能的羥基自由基(·OH)，能快速高效地降解汙（wū）水中（zhōng）的（de）有機（jī）物，這（zhè）類電極（jí）具有（yǒu）*寬的電化學窗口、極高的析氧電位、極好的化學穩定性（xìng），可在強酸、強堿、高鹽環境中長時間連續（xù）運行，有望成為*具潛力有機廢水處理（lǐ）技術。

    7 金剛石量子技術的應用（yòng）

    金剛石量子技（jì）術為21世紀的兩（liǎng）個關鍵問題提供（gòng）了潛在的解（jiě）決方案:生物醫學和持（chí）續增長的信息經濟。金剛石有能力將缺陷變成量子資（zī）源，這種缺陷是特定的，即氮空位缺陷(NV)，其獨特的性質（zhì）使（shǐ）其量子（zǐ）態（tài）可以在室溫下使用光來操縱和讀出。在基於量子的應用（yòng）中，人造金剛石充當雜質或缺陷的主體，像（xiàng）固態原子陷阱一樣起作用。這些雜質的量子特性，例如氮空位缺陷，可以單獨（dú）操作並使其相互作用，並且從這些雜質發出的光的光子可以用於讀出它們的（de）量子信息。

    由於金剛石具有廣闊的應用前景（jǐng）、化學惰性、機械硬度、表麵改性能力、可調導電性和生（shēng）物（wù）相（xiàng）容性等優點，金（jīn）剛石作為醫（yī）療器械與人體之間的界麵（miàn）被廣泛研究。金剛石塗層已被考慮用於各種醫療設備的應用（yòng），包括保護塗層、生物（wù）界麵和生物傳感器。大尺寸的（de）單晶/多晶金（jīn）剛石（shí）可以製成鋒利的刀片。納米金剛石根據其特性可以用作運輸藥物和具有標（biāo）記特（tè）性的靶（bǎ）向材料。

    8 納米金剛石潤滑（huá）油

    納米金剛石具有（yǒu）較大（dà）的（de）表麵積（jī），且表麵有著豐富的官能團，這些特性使（shǐ）其表麵具有（yǒu）特殊的吸附性，易於發生化學反應，故經過（guò）處理的球（qiú）形納米金剛石在潤滑油中有著良好的分散性。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（nà）米金剛石就能有效地提高潤滑（huá）油的抗磨減震效果，而且可以廣泛應用（yòng）於各（gè）種機械結（jié）構（gòu）中（zhōng）。