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人造金刚石的前沿应用
作者: 本站 来源: 本站 时间:2022年04月02日 留言

    人造金刚石是在实验室里模拟天然钻石的自然形成环境培育而成的。两者在晶体结构完整性、透明度、折射率、色散等方面均无明显差异。人造金刚石具有天然钻石的一切优异的物理化学性能,使得在精密切削刀具、耐磨器件、半导体及电子器件、低磁探测、光学窗口、声学应用、生物医学、珠宝首饰等方面得到广泛应用。


人造金刚石的应用前景

· 切削材料和超精密加工领域


    金刚石是目前自然界中硬度最高的矿物。除此之外,还具有高热传导率、高耐磨性和化学稳定性。这些特征决定了金刚石也可以是一种优越的切削材料。通过人工培育的大单晶金刚石,可以进一步实现超精密加工,既能降低成本又能提高技术。 


金刚石单晶,细颗粒金刚石,人造金刚石,长沙金刚石

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· 光学应用领域


    金刚石具有从X射线到微波整个波段高的透过率,是一种优异的光学材料。比如MPCVD单晶金刚石可以做成大功率激光器件的输能窗口,还可以做成宇宙探测器的钻石窗。金刚石兼具耐热冲击、耐化学腐蚀及耐机械磨损等特性,在红外窗口、微波窗口、高功率激光窗口、热成像系统窗口、X射线窗口等方面都有相应研究和应用。 


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· 量子器件应用领域

    含有氮空位缺陷的金刚石具有独特的量子特性,能够在室温下用特定光束对NV色心进行操作,具有相干时间长、荧光强度稳定、发光强度高的特点,是极具研究价值和前景的量子比特载体之一。大量的研究机构围绕NV色心进行了实验研究,在NV色心的共聚焦扫描成像、低温及室温下NV色心的光谱研究、利用微波和光学方法操控自旋取得了大量的研究成果,在高精度磁场测量、生物成像、量子探测等方面取得了成功的应用。
例如金刚石探测器不惧极端恶劣的辐射环境和环境杂光,无需加滤光片,而且可以在室温和较高的温度下正常工作,不需要像硅探测器那样外加冷却系统。

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· 声学应用领域

    金刚石具有弹性模量高、密度低和强度高的优点,非常适合用于制作高频、大功率声表面波器件,是制作高保真声学器件的理想材料。

· 医疗行业应用领域

    金刚石的高硬度、高耐磨性、低摩擦系数及良好的生物相容性,使其广泛应用于假体关节、心脏瓣膜、生物传感器等方面,成为现代医疗行业不可或缺的重要材料。

· 珠宝首饰方面的应用

    人造金刚石在颜色、净度等方面可以与天然金刚石媲美,并且在生产成本和价格方面具有明显优势。2018 年,权威机构FTC将人工合成的培育钻石纳入钻石类,培育钻石便开启了对天然钻石替代的时代。随着培育钻石分级标准的规范与完善,培育钻石在消费市场的认可度逐年提高,近两年全球培育钻石行业迅速增长。根据美国管理咨询公司和安特卫普世界钻石中心联合发布的第十期全球钻石行业年度报告,2020年世界天然钻石总产量下降到1.11亿克拉,下降20%,培育钻石产量达到600万至700万克拉,其中50%至60%的培育钻石是在中国采用高温高压技术生产的,印度和美国成为CVD的主要生产中心。随着国内外知名钻石品牌运营商和权威鉴定检测机构的加入,培育钻石行业发展逐渐规范,消费者认可度逐年提高,培育钻石在首饰消费市场具有较大的发展空间。 

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    另外,美国LifeGem公司已经实现了“纪念钻石”生长技术,以人体中的碳为原料(比如头发、骨灰)做成钻石,用一种特殊的方式帮助家人表达对失去亲人的爱,赋予培育钻石特殊的意义。最近,美国一家热销的沙拉酱品牌Hidden Valley Ranch还聘请地质学家兼LifeGem创始人Dean Vandenbisen用调味品制作出一颗两克拉的钻石,并进行拍卖。然而,这些都是宣传噱头,并无大规模推广生产意义。 

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· 超宽禁带半导体领域

    前面的应用大家都很容易理解,今天想重点讲一讲金刚石在半导体上的应用。美国的劳伦斯利弗莫尔国家实验室的科学家在APL(Applied Physics Letters)上发表了一篇论文,主要观点是高品质的CVD金刚石可用于“超宽禁带半导体”,并将极大推动电网、机车、电动车行业的发展。
“超宽禁带”可以这样通俗简单的了解一下:
1、在固体中,电子的能量值是不同的,而且都分布在不同的“能带”上。有些电子被束缚了,叫做“价电子”;有些能自由地跑来跑去的,叫做“自由电子”。
2、价电子所在能带与自由电子所在能带之间的间隙,被称为“禁带”或“带隙”。
3、价电子要成为自由电子,就需要额外获得能量。这种能量,就是“禁带宽度”。
4、我们之前用的材料硅(Si),禁带宽度是1.12eV。
5、后来开发出了一些材料,增大了禁带宽度,被统称为“宽禁带半导体材料”,可以达到2.3eV以上,比如碳化硅(SiC)。
6、高品质的CVD金刚石就具有这种“超宽禁带”。
在半导体中,有三个很重要的因素:
1)载流子迁移率,就是电子跑得快不快;
2)击穿场强,反映的是耐电强度;
3)导热性。
    CVD技术的金刚石,作为高品质的单晶体金刚石,在上面这三个方面的表现极其优秀。目前已经在MPCVD法制备的大尺寸单晶金刚石上获得高达1150m2/V的迁移率。高击穿电压、高热导率自不必多说。
    科学家Paulius Grivickas说:“我们通过对高纯度的CVD钻石进行镭射处理,争取能‘定制’其中的载流子生命周期。”
在半导体技术中,有一个关键的设备,叫“光导开关”(photoconductive switch),其作用可以理解为“利用激光脉冲进行触发”。以前,光导开关的关键材料是硅,但是用硅做原材料的开关庞大且笨重。Paulius认为,用CVD金刚石做光导开关材料的话,“大概能缩到指甲盖这么大小”。这项技术对于培育钻石行业(尤其是CVD)的发展是有积极意义的。一旦以金刚石为基体的宽禁带半导体可以大规模应用,那么目前世界上的硅基半导体产业将面临巨大变革,金刚石宽禁带半导体将会引领下一次半导体产业革命。 

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    总之,人造金刚石作为珠宝的发展空间可以预见,然而,它的科技应用发展无限且需求可观。从长远眼光看,人造金刚石行业要想长远稳定发展,必须开发成为一种生活、生产的必需品,最终应用在传统工业及高科技领域。只有尽力开发它的使用价值才能最大范围的发挥它的各项优异性能。传统生产不断,需求就会不断。随着金刚石合成技术的进一步发展,其重要性已经被一些媒体上升到了“国家战略”的高度。在天然钻石日益稀缺、供应受限的今天,人造金刚石行业或将扛起这面战略大旗。

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