金（jīn）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（chuān）場強，高電子和空穴（xué）遷移率，有望成為“**半導體（tǐ）”；在聲學上，金（jīn）剛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，金剛石可透過從遠紅外到紫外（wài）小於帶隙能（néng）量的光子；在熱學上，其（qí）導熱性超過銅，因此金剛石具有跨領域應用的潛力（lì）。表1顯示了金剛石材（cái）料的性能與其對應的應用領域。

表1. 金剛石材料的（de）性能

功能金剛石的合成

    相對於傳統金剛石高（gāo）溫高壓(HPHT)合成方法，功能金剛石主要采用（yòng）(常壓)化學氣相沉積(CVD)的方法。CVD金剛（gāng）石分為CVD薄膜(常規金剛石膜、納米（mǐ）金剛（gāng）石膜，厚度小於50μm)和自支撐型厚膜(單晶金剛（gāng）石和多（duō）晶金剛石)。按（àn）合成（chéng）技術分為微波輔助型(MPCVD)、熱絲型和直流型。MPCVD技術是目前主流的合成高質量金剛石的方法。不同CVD技（jì）術的比較見表2所示。

表2. CVD合成金剛石的主要方法及特點

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（xué）氣（qì）相沉積(CVD)製造培育鑽石方法，近三年突飛猛進，成（chéng）本大（dà）幅減低，工（gōng）藝穩（wěn）定性取得明顯進展，已量產並工業批量投放（fàng）市場。

    2 金剛石半導體

    金剛石被認為（wéi）是製備下一代高功率（lǜ）、高頻、高溫及低功率損耗電子器件*有希望的材料，被業（yè）界譽為“**半導（dǎo）體”。金剛石為間接帶隙半導體材料，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3800cm²/(v·S)，遠高於第三代半（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80meV)，使（shǐ）其在室溫（wēn）下可實（shí）現高強度的（de）自由激子發射(發光波長約為（wéi）235nm)，在製備大（dà）功率深紫外發光二極管方麵具有很大的潛力，在極（jí）紫外深紫外和（hé）高能粒（lì）子（zǐ）探測器的研（yán）製中也發（fā）揮著重要作（zuò）用。另外，對於單晶金剛石襯（chèn）底材料的生長，還要有高的生（shēng）長速率以及大的晶體尺寸，同時（shí）要實現金剛石的半導體功能（néng）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，未來必將突破n型摻雜技術、大尺寸高質（zhì）量單晶（jīng）製備及高平整度、高均勻性材料外延技術等瓶頸（jǐng）問題，實現更高（gāo）功率性能的金剛石電（diàn）子器件，從而為（wéi）消費者創造更快、更輕、更簡單的設備。金剛石半導體器（qì）件（jiàn）比矽芯片更便宜、更薄，基於金剛石的電子產品很（hěn）可能成為高能效電子產品的行業標準，其將對一些（xiē）高新行業和****產品（pǐn）產生顯著影響，包括更快的超級（jí）計算機、先進的雷達和電（diàn）信係統、超高效混（hún）合動力汽車、極（jí）端環境中的電子設備以（yǐ）及下一代航空航天電子設備等。

    3 金剛石（shí）的熱學應用

    金剛石具有目前所知的天然物質中*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（liáng）好前景的優異的電子封（fēng）裝材（cái）料。典型的應用有金剛石增強金屬封裝材料（Dianmond/Cu、Diamond/Al）和熱（rè）沉-金剛石襯底GaN器件等。金剛石增強金屬基封裝（zhuāng）材料（liào）已經商用，其熱導率已可達到（dào） 350~ 600W / (m·K)，隨著人造金剛石價格大幅降低，單位體積金剛石顆粒的價格已（yǐ）接近甚至（zhì）低於W、Mo等難熔金屬的價格（gé），為大規模生產（chǎn）創造了必備的條件。

    極高的導熱係數與電（diàn）絕緣相結合，使得金剛（gāng）石（shí）成為許多高功（gōng）率密度設備的**散熱器。激光（guāng）二極管結處散熱就是CVD金剛石的*早應用之一。*近，在晶圓數量級上，CVD金（jīn）剛（gāng）石與GaN的集（jí）成已經成為可（kě）能，這種集成（chéng）允許在無（wú）線電頻率下（xià）實現更高的功率密度。

    4 光學應用

    理想的（de）電力傳輸窗口將具（jù）有：

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

    (b)低熱膨脹係（xì）數(幾何形狀隨溫度的（de）變化較小)。

    (c)高導熱率(將熱量從加熱物體中（zhōng）散開的能力)。

    (d)高強度和楊氏模量(允許使用更薄的窗口)。

    (e)折（shé）射率隨溫度變化小。

    金剛石幾乎全（quán）部滿足（zú）上述要求，多晶金剛石在（zài）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（hái）具有裝飾作用，金剛石的塗（tú）層不（bú）僅具有閃光效果還有多種顏色。用於高端鍾（zhōng）表的製造，奢侈品的裝飾性塗層以及直接作為時（shí）尚製品。金剛石其強度和硬度是康寧玻璃的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（jīn）剛石（shí）聲學器件

    金剛石密度低，楊氏模量和強度高，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70kHz的頻率下保持完美的振（zhèn）動（dòng）運動而不失真（zhēn），從而（ér）提供幾乎完（wán）美的聲音再現。此外金剛石還具有*高（gāo）的聲表麵（miàn）波速，是用於聲表麵波濾波器的**材料，能夠提（tí）高濾波頻率和功率承受能（néng）力。

    6 摻硼金剛石(BDD)電極

    研究表明BDD是一種環保新型電極（jí）材料，作為陽極的電化學法對染料、農藥（yào）、抗（kàng）生（shēng）素、內分泌幹（gàn）擾物（wù）等多種難降解的（de）有機汙染物（wù）、大分子物質等都表現出了很好的去（qù）除效果，幾乎都（dōu）可實現完（wán）全礦化，是一種環（huán）境友好型的汙染治理方法，因而得（dé）到了越來越多的關注。

    采用摻硼金剛（gāng）石(BDD)作為電極的電化學氧化法，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水中的有機物，這類電極具有*寬的電化學窗口、極（jí）高的析氧電位、極好的化學穩定性，可（kě）在強（qiáng）酸、強堿、高鹽環境中長時間連續運（yùn）行，有望成為*具潛力有機廢水（shuǐ）處理技術。

    7 金（jīn）剛石量子技術的應（yīng）用

    金剛石（shí）量子技（jì）術為21世紀的兩個關鍵問題提供了潛在的解決方案:生物醫學和持續增長的信息經濟。金剛石有能力將（jiāng）缺陷變（biàn）成量子（zǐ）資源，這（zhè）種（zhǒng）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室溫下使（shǐ）用光來操（cāo）縱（zòng）和讀出（chū）。在基於量子的應用中，人造金剛石（shí）充當雜質或（huò）缺陷的主體，像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（yòng）於讀出它們（men）的量子信（xìn）息。

    由於金剛石具有廣闊的應用前景、化學惰性、機械硬度、表麵改性能力、可調導電性（xìng）和生物相容性等優點，金剛石作為醫療器械（xiè）與人體之間的界麵被廣泛研究。金剛石塗層已被考慮用於各種醫療設備的應（yīng）用（yòng），包括保護塗層、生（shēng）物界麵和（hé）生物傳感器。大尺寸的單（dān）晶/多晶金剛石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記特性的靶向材料。

    8 納米金剛石（shí）潤（rùn）滑油

    納米金剛石具有較大的表麵積，且表麵有著豐富的官能團，這些特性使其表麵具有特殊的吸附性，易（yì）於發生（shēng）化學反應，故經（jīng）過處理的球形納米金（jīn）剛（gāng）石在潤滑油中（zhōng）有著良好的分散性。近年來，大量的（de）實驗（yàn）表明，在潤滑油中加入千分之一的球形納米金（jīn）剛石就（jiù）能有效地提高潤滑油的抗磨減震效果，而且可以廣（guǎng）泛應用於（yú）各種機械結構中。