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      鄭州華晶金剛石股份有限公司

      向功能材料方向發展的人造金剛石

      關鍵詞 人造金剛石 , 功能材料 , 金剛石薄膜 , 原創|2012-04-25 11:47:10|來源 中國超硬材料網
      摘要 人造金剛石的研制成功與投入工業規模的生產是超高壓技術和晶體生產技術的重大成果。據估計,1984年供應世界市場的工業金剛石達一億五千萬克拉,其中人造金剛石達85%。應當指出,作為樹脂...

        人造金剛石的研制成功與投入工業規模的生產是超高壓技術和晶體生產技術的重大成果。

        據估計,1984年供應世界市場的工業金剛石達一億五千萬克拉,其中人造金剛石達85%。應當指出,作為樹脂結合劑用的低強度金剛石得到滿足,而用于堅硬材料鋸切、鉆探以及制造滾輪等優質粗顆粒金剛石供低于求,具有很大的潛力。

        強度高、顆粒粗、品種多是70年代末和80年代初中期單晶人造金剛石和立方氮化硼生產技術發展的重要特征。Scandiamant廠有四條生產線,其中,產量最大而且最重要的是SDA系列產品。1979年,De Beer Co宣布投產的SDA100S最粗顆??蛇_美制篩目20/25.。1986年第三期《工業金剛石》季刊報導,在SDA系列產品中增加了SDA+,SDA85+、SDA100+的產品,供應粒度可達美制篩目18/20,就是說一毫米的人造單晶金剛石能夠供應市場。這個系列的產品主要應用于石材、建筑材料的加工和制造各種鉆頭。

        80年代初出現的SRD產品粒度達每克拉100至400粒,這種人造金剛石主要用于制造滾輪。

        相當于SDA100、SDA100S水平的金剛石我們分別于1982年和1984年研制成功,但至今沒有投入工業性生產。

        1970年,美國G.E.Co報導了他們利用晶種法,經過7天時間長出5mm寶石級金剛石的重大成果。現在成長同樣大小的金剛石只需幾十個小時,他們還能長出最大達8mm的金剛石,并能以很小規模生產激光窗口和熱沉用金剛石。

        日本科學技術廳無機材質研究所1982年宣布成功地研制出尺寸為3mm的金剛石單晶,周期為100小時,計劃在1400噸“Belt”設備上搞粒徑14mm的大單晶。

        日本住友電氣公司后來者居上,據日本《產經新聞》報道,他們已商品性生產尺寸為4~5mm寶石級金剛石,并將金剛石晶體切成2×2mm,厚0.5mm的薄片用于超大規模集成電路的散熱基板。

      表1 通用電氣公司和戴比爾斯公司生產量(百萬克拉)

      公司

      年份

      生產量

      G.E.Co

      1970年

      1500

      1977年

      (2200)

      1981年

      4500

      De Beer Co

      1970年

      ~1400

      1977年

      1900

      1981年

      3500

        為了適應工業金剛石需求量的高速增長,美國G.E.Co投資9000萬美元在愛爾蘭建廠;De Beer Co計劃投資約1億7千萬美元擴大金剛石的產量。

        1963年,瑞典ASEA公司在此設廠生產人造金剛石。1967年,De Beer Co和AESA合資成立Scandiamant,該廠的生產能力穩步增長。

        現在,Scandiamant有四條生產線,產量最大而最重要的是SDA系列產品,由SDA至SDA100S,可生產20美制篩目大小的產品。

        第二條生產線是MDA系列產品的生產,MDA系列產品的粒度大都在50美制篩目左右,較細小的MDA晶體可在半小時以內生產出來。

        雖然G.E.Co和De Beer Co在超硬材料生產規模、高壓反應腔容積、控制水平、產品品種、質量和粒度等許多方面都處于國際領先地位,但是,De Beer Co主席J.O.湯普遜在慶祝愛爾蘭Shannon廠創業25周年紀念會上講:“我們深信,De Beer Co工業金剛石部將來仍會屹立不倒,繼續擴充業務及蓬勃發展。但需要將注意力集中于兩個方面的工作:首先,是要向全世界推廣這里生產出來的新型和超卓的工業產品,這是一項具有挑戰性的工作;另一項,是要找出降低成本的方法,以求在激烈競爭的世界市場上立足。”

        眾所周知,自靜壓法合成工業金剛石成功之后,人造金剛石生長工藝經過30多年的發展,目前已生產出各種不同型號的單晶金剛石。在工業生產上發揮了巨大的作用。但歸根結底僅僅用了金剛石的高硬度特征,而對于金剛石其他方面的優良特征,如高導熱性、高絕緣性、化學穩定性、高溫半導體性能等,即金剛石的電學、光學、熱學方面的優良性能并未充分發掘利用。

        60年代和70年代初發展起來的低壓氣相合成金剛石的方法只能生長金剛石晶須。由于離應用遙遠,因而發展很慢。70年代隨著薄膜技術的迅速發展,人們相繼用離子束沉積法、等離子沉積法、熱解化學氣相沉積法和電子加速氣相沉積法成長金剛石碳膜、類金剛石薄膜和金剛石薄膜。70年代中葉,莫斯科物化研究所的弗拉基米爾·杰里亞金等人用化學氣相沉積法制成金剛石膜,使金剛石薄膜生長技術的研究工作推進了一大步。薄膜型金剛石的制成為金剛石的應用開拓了廣闊的前景,因而引起各國科學家的重視。如70年代初,美國Masszchusatls州、Waltham市空間科學部的Aisenkeig S和Chakof R用沉積在硅基底上的類金剛石薄膜作電解質制成薄膜電容器,具有很低的漏電流和8至14的高介電常數。由于半導體芯片所產生的熱量常使線路運轉失靈,蘇聯將金剛石薄膜涂于材料表面,制成下方帶有金剛石層的芯片,從而成功地揮發了熱量。大約有20家日本公司用金剛石薄膜制成了透明的眼鏡片和飛機窗戶涂層。

        索尼公司正在試銷一種具有單一元件的喇叭,由于涂覆了金剛石薄膜,這種喇叭的傳真度大大增強。

        美國“星球大戰”計劃的科技創新辦公室負責人詹姆斯·約恩森(James Jonson)指出:美國科學家眼下正在從事的金剛石薄膜生長技術對半導體工業無疑是一種革命性的推動,他認為金剛石薄膜本身可用于制作芯片,而這種芯片的運算速度要比砷化鎵芯片快,約恩森的辦公室對金剛石薄膜的研究全力支持,其原因是這種薄膜在光學透鏡及其它“星球大戰”計劃中有關的材料中可以起極為重要的作用。

        日本估計歐美每年對工業合成金剛石的需求為3000萬克拉甚至還要多,現在更多的跡象顯示。人造金剛石可能在半導體及有關的電子業上擔任重要角色。

        金剛石吸引半導體業的主要地方是金剛石比砷化鎵和硅更耐高溫,傳導性亦較強,能以更快的速度傳送電脈沖,惟一的未知數是它們的成分比較,這個問題很快將有分曉,部分日本人士預測,在21世紀初,將有多達三分之一的半導體采用金剛石為基底,金剛石市場的潛力還將進一步得到拓展。

       

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