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       金剛石俗稱鉆石，是自然界中最堅(jiān)硬的物質(zhì)，同時(shí)具有高化學(xué)惰性、高導(dǎo)熱率、低摩擦系數(shù)、超寬帶隙、高光學(xué)透過率等優(yōu)異性能，在高端先進(jìn)制造多個(gè)領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。然而，天然金剛石不可再生，且開采成本高、儲(chǔ)量小、顆粒體積小且雜質(zhì)不可控，無法廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中。因此，與天然金剛石具有完全相同物理化學(xué)性質(zhì)的合成金剛石，特別是化學(xué)氣相沉積法（CVD）金剛石，成為工業(yè)制造應(yīng)用中的更優(yōu)選擇。

       微波等離子體化學(xué)氣相沉積法（MPCVD）無極放電、無污染、外延可控性強(qiáng)，在大尺寸、高純度金剛石制備與摻雜研究方面優(yōu)勢(shì)更明顯，是高質(zhì)量和多領(lǐng)域應(yīng)用金剛石制備的首選方法，產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于聲學(xué)、光學(xué)、熱學(xué)、力學(xué)、電學(xué)、量子技術(shù)等領(lǐng)域。

       聲學(xué)應(yīng)用

       金剛石具有低密度、高彈性模量、高強(qiáng)度、高熱導(dǎo)率、化學(xué)惰性和生物相容性等優(yōu)異特性，在聲學(xué)領(lǐng)域主要應(yīng)用于高保真喇叭、聲表面波器件、聲傳感器等。

       例如，高保真音響需要反映出逼真的音響效果，泛音的頻率越豐富，音色也就越逼真。一般人類聽覺的頻率范圍為16～20kHz，金剛石高音喇叭的頻率響應(yīng)已經(jīng)達(dá)到了60 kHz，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了人耳的聽覺范圍。但是作為聲音重放設(shè)備，其頻率響應(yīng)范圍應(yīng)當(dāng)大于實(shí)際聽覺范圍，用于高頻揚(yáng)聲器的金剛石喇叭振膜對(duì)音色的完整性起到了非常重要的作用。

CVD金剛石喇叭振膜   圖源：晶鉆科技

       光學(xué)應(yīng)用

       金剛石在目前所有的固體材料中具有最寬的透過光譜，從紫外的225nm到紅外的25μm（波長1.8μm-2.5μm除外），以及到微波范圍內(nèi)，金剛石都具有優(yōu)良的透過性。由于金剛石此種優(yōu)異的光學(xué)特性，同時(shí)抗輻照損傷性強(qiáng)，加上其高硬度、高熱導(dǎo)率、高化學(xué)穩(wěn)定性和低膨脹系數(shù)，金剛石是制作現(xiàn)代紅外光學(xué)窗口的理想材料。

       此外，金剛石是一種性能優(yōu)異的晶體拉曼材料，其具有已知晶體材料中最大的拉曼頻移1332.3cm-1，其室溫下拉曼增益線寬約為1.5cm-1。超快的熱耗散能力，使金剛石晶體在高功率運(yùn)行下保持高拉曼增益不變，并獲得高光束質(zhì)量激光輸出。

光學(xué)級(jí)CVD單晶金剛石與激光晶體  圖源：晶鉆科技

       熱學(xué)應(yīng)用

       金剛石被認(rèn)為是一種能夠滿足飛速發(fā)展的電子工業(yè)的理想熱管理材料（包括熱沉材料、封裝材料、基體材料等）。金剛石具有天然物質(zhì)中最高的熱導(dǎo)率（2300W/(m·K)），比碳化硅大4倍，比硅大13倍，比砷化鎵大43倍，是銅和銀的4-5倍。典型的熱管理應(yīng)用場(chǎng)景包括：金剛石增強(qiáng)金屬封裝材料（Diamond/Cu、Diamond/Al）、熱沉片、金剛石襯底GaN器件等。例如，金剛石基熱沉應(yīng)用于激光器的散熱系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)高效的熱量傳輸和散熱，降低激光器的工作溫度，提高激光器的穩(wěn)定性和壽命。晶鉆科技目前可生產(chǎn)2.5英寸直徑同質(zhì)外延單晶金剛石熱管理材料。

熱沉級(jí)CVD單晶金剛石  圖源：晶鉆科技

       力學(xué)應(yīng)用

       精密或超精密車刀是CVD單晶金剛石作為切削材料的一種成功應(yīng)用。單晶金剛石內(nèi)部無晶界，可加工獲得極高的平直度和鋒利度；通過刀具的超光潔表面和無缺陷副切削刃的作用，獲得極低的表面粗糙度從而達(dá)到鏡面加工效果，廣泛應(yīng)用于加工原子核反應(yīng)堆及精密光學(xué)儀器的反射鏡、計(jì)算機(jī)硬盤等超精密鏡面零件，也可以用于加工復(fù)印機(jī)滾筒、隱形眼鏡等日常辦公或生活用品。此外，CVD單晶金剛石制成的手術(shù)刀具因其生物相容性等特點(diǎn)，手術(shù)部位損傷小，傷口容易愈合，用于眼科、神經(jīng)外科、骨科及口腔科以及生物組織切片等。晶鉆科技生產(chǎn)的金剛石刀具，可實(shí)現(xiàn)輪廓精度小于50nm、表面粗糙度1-2nm的超高精度，可以達(dá)到鏡面加工效果，實(shí)現(xiàn)以車代磨、以車代刨。

各種形狀的機(jī)械級(jí)CVD單晶金剛石  圖源：晶鉆科技

單晶金剛石精密刀具  圖源：網(wǎng)絡(luò)

       除精密刀具外，CVD單晶金剛石還可用于制作拉絲模，克服了天然金剛石拉絲模的各向異性，同時(shí)具有優(yōu)良的強(qiáng)度和硬度，拉拔產(chǎn)量最高，拉拔線材的表面粗糙度較低，是小直徑絲材拉拔加工的理想選擇。

單晶金剛石拉絲模配件（加工內(nèi)徑最小可達(dá)30μm，表面粗糙度5-10nm）圖源：晶鉆科技

CVD單晶金剛石應(yīng)用于射流噴嘴（加工內(nèi)徑最小可達(dá)30μm，表面粗糙度5-10nm） 圖源：晶鉆科技

       在半導(dǎo)體制造產(chǎn)業(yè)鏈中，化學(xué)機(jī)械拋光（CMP）和晶圓平坦化是當(dāng)中重要的加工工序/工藝，而CMP金剛石修整盤和拋光墊則是保證CMP拋光工序質(zhì)量的關(guān)鍵。CMP拋光工序中所使用到的拋光墊的表面，必須定期用修整盤進(jìn)行修整，以防止拋光墊表面釉化，從而保持拋光墊在晶圓被拋光時(shí)的粗糙度，保證對(duì)晶圓的拋光效果，并延長拋光墊的使用壽命；拋光質(zhì)量、拋光效率以及相關(guān)成本，是該工序的核心要素。晶鉆科技研發(fā)生產(chǎn)的大單晶雕刻金剛石CMP修整盤，一致性強(qiáng)，角度可控，脫粒率幾乎為零，而且具有重復(fù)修復(fù)性，是1-3nm高端高精密芯片晶圓拋光工藝領(lǐng)域高溫高壓及多晶金剛石CMP修整盤非常理想的替代品。

CVD單晶金剛石CMP修整盤全貌  圖源：晶鉆科技

       電學(xué)應(yīng)用

       金剛石具有非常優(yōu)異的電學(xué)性質(zhì)，其禁帶寬度可以達(dá)到5.5eV，電阻率在1×1012 Ω·m以上，介電常數(shù)可以達(dá)到5.5，可以用作條件極端惡劣的輻射環(huán)境中的探測(cè)器材料。同時(shí)，基于耐高壓、大射頻、低成本、低功率損耗和耐高溫等多重優(yōu)異性能參數(shù)，CVD金剛石被認(rèn)為是制備下一代高功率、高頻率、高效率電子器件最有希望的材料，被業(yè)界譽(yù)為“終極半導(dǎo)體”材料。對(duì)金剛石半導(dǎo)體器件而言，CVD金剛石材料的高可控?fù)诫s是形成功率器件的基礎(chǔ)技術(shù)，一直也是研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)，目前全球各國都在加緊推進(jìn)CVD金剛石在半導(dǎo)體領(lǐng)域的研制工作。

電子級(jí)高純度CVD單晶金剛石  圖源：晶鉆科技

       量子技術(shù)

       在20世紀(jì)之初，理論和實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家們致力于理解微觀物理世界，以量子力學(xué)譜寫了新的物理學(xué)圖景。對(duì)于量子計(jì)算、模擬、通信和傳感等眾多量子技術(shù)，科學(xué)家采取了不同的技術(shù)方案，比如捕獲離子、超導(dǎo)、量子點(diǎn)、光子和半導(dǎo)體缺陷。

       金剛石超寬的禁帶寬度，使位于禁帶中深能級(jí)缺陷發(fā)光不被吸收而發(fā)射出來，形成一系列缺陷誘導(dǎo)的顏色中心，即所謂的“色心”，如氮空位 (NV) 或硅空位 (SiV) 中心，這些色心具有類似“單原子”的分立能級(jí)。NV色心在常溫下具有非常強(qiáng)的穩(wěn)定性，加上金剛石材料在抗噪、抗干擾方面的優(yōu)異性能，使得金剛石非常適合用于特別精確的量子信息處理、量子通訊和量子計(jì)算。

       目前，世界上有200 多個(gè)學(xué)術(shù)團(tuán)體致力于金剛石量子應(yīng)用的研究，主要的研究方向有：把金剛石作為量子比特來制備量子信息器件（如量子計(jì)算機(jī)）；使用金剛石中的氮空位缺陷作量子網(wǎng)絡(luò)的“量子中繼節(jié)點(diǎn)”，應(yīng)用于量子通信；以及金剛石磁場(chǎng)傳感器技術(shù)，用于探測(cè)器等。