金刚石功能化应用领域介绍

  金刚石具有优良的电学性能：超宽的带隙，超高的击穿场强，高电子和空穴迁移率，有望成为“**半导体”；在声学上，金刚石在所有材料中具有*高的表面声波速度和极高的杨氏模量；在光学上，金刚石可透过从远红外到紫外小于带隙能量的光子；在热学上，其导热性超过铜，因此金刚石具有跨领域应用的潜力。表1显示了金刚石材料的性能与其对应的应用领域。

表1. 金刚石材料的性能

功能金刚石的合成

    相对于传统金刚石高温高压(HPHT)合成方法，功能金刚石主要采用(常压)化学气相沉积(CVD)的方法。CVD金刚石分为CVD薄膜(常规金刚石膜、纳米金刚石膜，厚度小于50μm)和自支撑型厚膜(单晶金刚石和多晶金刚石)。按合成技术分为微波辅助型(MPCVD)、热丝型和直流型。MPCVD技术是目前主流的合成高质量金刚石的方法。不同CVD技术的比较见表2所示。

表2. CVD合成金刚石的主要方法及特点

功能金刚石的应用

    1 宝石级的人造金刚石

    高温高压(HTHP)方法是制造培育钻石的主要方法。化学气相沉积(CVD)制造培育钻石方法，近三年突飞猛进，成本大幅减低，工艺稳定性取得明显进展，已量产并工业批量投放市场。

    2 金刚石半导体

    金刚石被认为是制备下一代高功率、高频、高温及低功率损耗电子器件*有希望的材料，被业界誉为“**半导体”。金刚石为间接带隙半导体材料，禁带宽度约为5.5eV，热导率高达22W/(cm·K)。室温电子和空穴迁移率高达4500cm²/(v·S)和3800cm²/(v·S)，远高于第三代半导体材料GaN和SiC。另外，由于金刚石具有很大的激子束缚能(约80meV)，使其在室温下可实现高强度的自由激子发射(发光波长约为235nm)，在制备大功率深紫外发光二极管方面具有很大的潜力，在极紫外深紫外和高能粒子探测器的研制中也发挥着重要作用。另外，对于单晶金刚石衬底材料的生长，还要有高的生长速率以及大的晶体尺寸，同时要实现金刚石的半导体功能需要对其进行有效的掺杂，使其具备良好的n型或p型导电性质。

    可以展望，随着金刚石半导体技术的不断发展，未来必将突破n型掺杂技术、大尺寸高质量单晶制备及高平整度、高均匀性材料外延技术等瓶颈问题，实现更高功率性能的金刚石电子器件，从而为消费者创造更快、更轻、更简单的设备。金刚石半导体器件比硅芯片更便宜、更薄，基于金刚石的电子产品很可能成为高能效电子产品的行业标准，其将对一些高新行业和****产品产生显著影响，包括更快的超级计算机、先进的雷达和电信系统、超高效混合动力汽车、极端环境中的电子设备以及下一代航空航天电子设备等。

    3 金刚石的热学应用

    金刚石具有目前所知的天然物质中*高的热导率(2200W/(m·K))，比碳化硅(SiC)大4倍，比硅(Si)大13倍，比砷化稼(GaAs)大43倍，是铜和银的4~5倍，低的热膨胀系数(0.8×10^-6~1.5×10^-6K^-1)和高的弹性模量等优良性能。是一种具有良好前景的优异的电子封装材料。典型的应用有金刚石增强金属封装材料（Dianmond/Cu、Diamond/Al）和热沉-金刚石衬底GaN器件等。金刚石增强金属基封装材料已经商用，其热导率已可达到 350~ 600W / (m·K)，随着人造金刚石价格大幅降低，单位体积金刚石颗粒的价格已接近甚至低于W、Mo等难熔金属的价格，为大规模生产创造了必备的条件。

    极高的导热系数与电绝缘相结合，使得金刚石成为许多高功率密度设备的**散热器。激光二极管结处散热就是CVD金刚石的*早应用之一。*近，在晶圆数量级上，CVD金刚石与GaN的集成已经成为可能，这种集成允许在无线电频率下实现更高的功率密度。

    4 光学应用

    理想的电力传输窗口将具有：

    (a)非常低的总吸收(窗口和涂层的吸收系数×窗口厚度。

    (b)低热膨胀系数(几何形状随温度的变化较小)。

    (c)高导热率(将热量从加热物体中散开的能力)。

    (d)高强度和杨氏模量(允许使用更薄的窗口)。

    (e)折射率随温度变化小。

    金刚石几乎全部满足上述要求，多晶金刚石在光学窗口方面有许多应用场景，部分已产业化。

    除了光学窗口外，多晶金刚石还具有装饰作用，金刚石的涂层不仅具有闪光效果还有多种颜色。用于高端钟表的制造，奢侈品的装饰性涂层以及直接作为时尚制品。金刚石其强度和硬度是康宁玻璃的6倍和10倍，因此也被应用于手机显示屏和照相机镜头。

    5 金刚石声学器件

    金刚石密度低，杨氏模量和强度高，这使得它成为一种高性能的高频声材料。

    金刚石，可以在高达70kHz的频率下保持完美的振动运动而不失真，从而提供几乎完美的声音再现。此外金刚石还具有*高的声表面波速，是用于声表面波滤波器的**材料，能够提高滤波频率和功率承受能力。

    6 掺硼金刚石(BDD)电极

    研究表明BDD是一种环保新型电极材料，作为阳极的电化学法对染料、农药、抗生素、内分泌干扰物等多种难降解的有机污染物、大分子物质等都表现出了很好的去除效果，几乎都可实现完全矿化，是一种环境友好型的污染治理方法，因而得到了越来越多的关注。

    采用掺硼金刚石(BDD)作为电极的电化学氧化法，利用在水中产生具有强氧化性能的羟基自由基(·OH)，能快速高效地降解污水中的有机物，这类电极具有*宽的电化学窗口、极高的析氧电位、极好的化学稳定性，可在强酸、强碱、高盐环境中长时间连续运行，有望成为*具潜力有机废水处理技术。

    7 金刚石量子技术的应用

    金刚石量子技术为21世纪的两个关键问题提供了潜在的解决方案:生物医学和持续增长的信息经济。金刚石有能力将缺陷变成量子资源，这种缺陷是特定的，即氮空位缺陷(NV)，其独特的性质使其量子态可以在室温下使用光来操纵和读出。在基于量子的应用中，人造金刚石充当杂质或缺陷的主体，像固态原子陷阱一样起作用。这些杂质的量子特性，例如氮空位缺陷，可以单独操作并使其相互作用，并且从这些杂质发出的光的光子可以用于读出它们的量子信息。

    由于金刚石具有广阔的应用前景、化学惰性、机械硬度、表面改性能力、可调导电性和生物相容性等优点，金刚石作为医疗器械与人体之间的界面被广泛研究。金刚石涂层已被考虑用于各种医疗设备的应用，包括保护涂层、生物界面和生物传感器。大尺寸的单晶/多晶金刚石可以制成锋利的刀片。纳米金刚石根据其特性可以用作运输药物和具有标记特性的靶向材料。

    8 纳米金刚石润滑油

    纳米金刚石具有较大的表面积，且表面有着丰富的官能团，这些特性使其表面具有特殊的吸附性，易于发生化学反应，故经过处理的球形纳米金刚石在润滑油中有着良好的分散性。近年来，大量的实验表明，在润滑油中加入千分之一的球形纳米金刚石就能有效地提高润滑油的抗磨减震效果，而且可以广泛应用于各种机械结构中。