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                    鄭州華晶金剛石股份有限公司

                    人造金剛石的前沿應用

                    關鍵詞 金剛石的應用 , 半導體 , 寬禁帶|2022-03-23 09:31:15|來源 磨料磨具
                    摘要 人造金剛石是在實驗室里模擬天然鉆石的自然形成環境培育而成的。兩者在晶體結構完整性、透明度、折射率、色散等方面均無明顯差異。人造金剛石具有天然鉆石的一切優異的物理化學性能,使得在精密...

                           人造金剛石是在實驗室里模擬天然鉆石的自然形成環境培育而成的。兩者在晶體結構完整性、透明度、折射率、色散等方面均無明顯差異。人造金剛石具有天然鉆石的一切優異的物理化學性能,使得在精密切削刀具、耐磨器件、半導體及電子器件、低磁探測、光學窗口、聲學應用、生物醫學、珠寶首飾等方面得到廣泛應用。

                           人造金剛石的應用前景

                    一、切削材料和超精密加工領域

                           金剛石是目前自然界中硬度最高的礦物。除此之外,還具有高熱傳導率、高耐磨性和化學穩定性。這些特征決定了金剛石也可以是一種優越的切削材料。通過人工培育的大單晶金剛石,可以進一步實現超精密加工,既能降低成本又能提高技術。 


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                    二、光學應用領域

                           金剛石具有從X射線到微波整個波段高的透過率,是一種優異的光學材料。比如MPCVD單晶金剛石可以做成大功率激光器件的輸能窗口,還可以做成宇宙探測器的鉆石窗。金剛石兼具耐熱沖擊、耐化學腐蝕及耐機械磨損等特性,在紅外窗口、微波窗口、高功率激光窗口、熱成像系統窗口、X射線窗口等方面都有相應研究和應用。 


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                    三、量子器件應用領域

                           含有氮空位缺陷的金剛石具有獨特的量子特性,能夠在室溫下用特定光束對NV色心進行操作,具有相干時間長、熒光強度穩定、發光強度高的特點,是極具研究價值和前景的量子比特載體之一。大量的研究機構圍繞NV色心進行了實驗研究,在NV色心的共聚焦掃描成像、低溫及室溫下NV色心的光譜研究、利用微波和光學方法操控自旋取得了大量的研究成果,在高精度磁場測量、生物成像、量子探測等方面取得了成功的應用。
                    例如金剛石探測器不懼極端惡劣的輻射環境和環境雜光,無需加濾光片,而且可以在室溫和較高的溫度下正常工作,不需要像硅探測器那樣外加冷卻系統。


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                     四、聲學應用領域

                           金剛石具有彈性模量高、密度低和強度高的優點,非常適合用于制作高頻、大功率聲表面波器件,是制作高保真聲學器件的理想材料。

                    五、醫療行業應用領域

                           金剛石的高硬度、高耐磨性、低摩擦系數及良好的生物相容性,使其廣泛應用于假體關節、心臟瓣膜、生物傳感器等方面,成為現代醫療行業不可或缺的重要材料。

                    六、珠寶首飾方面的應用

                           人造金剛石在顏色、凈度等方面可以與天然金剛石媲美,并且在生產成本和價格方面具有明顯優勢。2018 年,權威機構FTC將人工合成的培育鉆石納入鉆石類,培育鉆石便開啟了對天然鉆石替代的時代。隨著培育鉆石分級標準的規范與完善,培育鉆石在消費市場的認可度逐年提高,近兩年全球培育鉆石行業迅速增長。根據美國管理咨詢公司和安特衛普世界鉆石中心聯合發布的第十期全球鉆石行業年度報告,2020年世界天然鉆石總產量下降到1.11億克拉,下降20%,培育鉆石產量達到600萬至700萬克拉,其中50%至60%的培育鉆石是在中國采用高溫高壓技術生產的,印度和美國成為CVD的主要生產中心。隨著國內外知名鉆石品牌運營商和權威鑒定檢測機構的加入,培育鉆石行業發展逐漸規范,消費者認可度逐年提高,培育鉆石在首飾消費市場具有較大的發展空間。 

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                           另外,美國LifeGem公司已經實現了“紀念鉆石”生長技術,以人體中的碳為原料(比如頭發、骨灰)做成鉆石,用一種特殊的方式幫助家人表達對失去親人的愛,賦予培育鉆石特殊的意義。最近,美國一家熱銷的沙拉醬品牌Hidden Valley Ranch還聘請地質學家兼LifeGem創始人Dean Vandenbisen用調味品制作出一顆兩克拉的鉆石,并進行拍賣。然而,這些都是宣傳噱頭,并無大規模推廣生產意義。 

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                    七、超寬禁帶半導體領域

                           前面的應用大家都很容易理解,今天想重點講一講金剛石在半導體上的應用。美國的勞倫斯利弗莫爾國家實驗室的科學家在APL(Applied Physics Letters)上發表了一篇論文,主要觀點是高品質的CVD金剛石可用于“超寬禁帶半導體”,并將極大推動電網、機車、電動車行業的發展。
                           “超寬禁帶”可以這樣通俗簡單的了解一下:
                           1、在固體中,電子的能量值是不同的,而且都分布在不同的“能帶”上。有些電子被束縛了,叫做“價電子”;有些能自由地跑來跑去的,叫做“自由電子”。
                           2、價電子所在能帶與自由電子所在能帶之間的間隙,被稱為“禁帶”或“帶隙”。
                           3、價電子要成為自由電子,就需要額外獲得能量。這種能量,就是“禁帶寬度”。
                           4、我們之前用的材料硅(Si),禁帶寬度是1.12eV。
                           5、后來開發出了一些材料,增大了禁帶寬度,被統稱為“寬禁帶半導體材料”,可以達到2.3eV以上,比如碳化硅(SiC)。
                           6、高品質的CVD金剛石就具有這種“超寬禁帶”。
                           在半導體中,有三個很重要的因素:
                           (1)載流子遷移率,就是電子跑得快不快;
                           (2)擊穿場強,反映的是耐電強度;
                           (3)導熱性。
                           CVD技術的金剛石,作為高品質的單晶體金剛石,在上面這三個方面的表現極其優秀。目前已經在MPCVD法制備的大尺寸單晶金剛石上獲得高達1150m2/V的遷移率。高擊穿電壓、高熱導率自不必多說。
                           科學家Paulius Grivickas說:“我們通過對高純度的CVD鉆石進行鐳射處理,爭取能‘定制’其中的載流子生命周期?!?br/>       在半導體技術中,有一個關鍵的設備,叫“光導開關”(photoconductive switch),其作用可以理解為“利用激光脈沖進行觸發”。以前,光導開關的關鍵材料是硅,但是用硅做原材料的開關龐大且笨重。Paulius認為,用CVD金剛石做光導開關材料的話,“大概能縮到指甲蓋這么大小”。這項技術對于培育鉆石行業(尤其是CVD)的發展是有積極意義的。一旦以金剛石為基體的寬禁帶半導體可以大規模應用,那么目前世界上的硅基半導體產業將面臨巨大變革,金剛石寬禁帶半導體將會引領下一次半導體產業革命。 

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                           總之,人造金剛石作為珠寶的發展空間可以預見,然而,它的科技應用發展無限且需求可觀。從長遠眼光看,人造金剛石行業要想長遠穩定發展,必須開發成為一種生活、生產的必需品,最終應用在傳統工業及高科技領域。只有盡力開發它的使用價值才能最大范圍的發揮它的各項優異性能。傳統生產不斷,需求就會不斷。隨著金剛石合成技術的進一步發展,其重要性已經被一些媒體上升到了“國家戰略”的高度。在天然鉆石日益稀缺、供應受限的今天,人造金剛石行業或將扛起這面戰略大旗。

                     

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