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金剛石的功能應用你知多少？

鄭州磨料磨具磨削研究所王光祖  衛鳳午

中國超硬材料網  李旭銅 王少卓

       1、引言

       這是一篇作者們從眾多雜志或網站上收集，并經過薈萃，整理匯集起來的綜述性文章。真是不博覽群書不知曉，在此需要提及的是，當你閱讀到本文功能應用效果并找到答案后，一定會驚嘆地說，世界真奇妙！從專業的角度考量，文中案例都是與金剛石有關的技術信息。

       僅從我們所看到的那冰山一角也好，滄海一栗也罷的技術信息中，初步領略到金剛石功能的奇妙內涵，其奧秘是非常非常深厚、豐富的。為此誘導材料學家對金剛石這個無邊無垠的課題，饒有樂意，持續不斷地進行探索、揭秘。俄國物理學家卡·馮·伯爾說：“科學的永恒性就在于不懈地尋求之中，科學就其容量而言，是永不枯竭的，就其目標而言，是永遠不可企及的。”為了揭示更多的金剛石功能應用的奧秘，獲取更多、更新的知識，我們的探究工作將永遠在路上。

       2、金剛石的功能及應用

       2.1熱學性能及應用

       金剛石圓盤是控制核聚變反應不可或缺的材料

       因為核電能給人們提供給一種環境友好型能源，所以世界各地的科學家都在為實現這一目標而努力。而在這高精尖的領域中卻涉及到一個鮮為人知的材料，那就是金剛石，它實際上是一種核聚變技術中不可或缺的材料。

       在核反應過程中，氫原子與氮原子發生聚變，會釋放巨大的能量。如果將其應用在核電站中，那么有朝一日其將有助于人類可持續和安全的能源供應。回旋管是一種微波振蕩器，在反應堆中可產生高達5億攝氏度的高溫，類似一個巨大的微波爐。這種高溫可以使氚燃料達到熔化所需的等離子態。為了將來自回旋管的微波輻射擊引導到等離子體中，且在真空下將輻射性氚保持在反應堆內，DITK Strauss博士和IAM的Thio Scherer教授，合作設計了一個適合窗戶單元，而在此極端的環境下，也只有一種材料能夠擔此重任，那就是金剛石。

       反應堆的墻體材料

       ITER計劃是當今世界科技界為解決人類未來能源問題而展開的重大國際合作計劃。其目標是發展無污染且對全球變暖問題無影響的核能源。

       由于金剛石對下一代核反應堆所產生的熱量具有獨一無二的承受能力，因此，將帶有金剛石涂層的基體選作反應堆的墻體材料。此外金剛石的抗輻射能力以及它在氫等離子體環境中的化學穩定性也是金剛石成為被選材料的重要原因。

       金剛石激光轉換器

       激光最為重要的兩個特性就是它的能量和亮度。

       人造金剛石激光束的最大優勢在于金剛石的熱傳導，金剛石的熱傳導系數比其他光學材料都要高，激光轉換器僅需在很小的設備安裝包內即可完成，設備的尺寸變小了，但效率大大提高。

由于金剛石在很廣泛的光譜內透明度極高，研究者可以利用轉換器去生成眾多不同顏色的激光并應用在高科技設備中。

       2.2光電性能及應用

       引領高端制造業發展

       在科學家的眼中，單晶金剛石不光是“工業牙齒”，還是“終極半導體”，有專家甚至表示“沒有金剛石就沒有信息產業”。

       利用其無與倫比的熱光聲電性能，可用于航天員宇宙射線防護、尖端武器裝備隱身防腐，提高導彈飛行速度與打擊精度、大功率激光探測，可用作大規模集成電路及LED新光源熱沉等尖端領域。

       金剛石沒有保留的透光能力，也使它成為視窗，如紅外線夜視鏡或雷達罩。金剛石具有高頻傳聲的特點，又使它成為擴音機振動膜的不二選擇。

       金剛石電子器件相比其他半導體器件具有體積小、集成度高和無需制冷的優勢。北京航空航天大學材料科學與工程學院教授張濤相信，金剛石將引發新一代半導體技術的革命。

       金剛石基GaN應用：衛星通信功率放大器

       目前而言最先進的商業衛星以100-200 Mbps速度傳輸于地球，而對于一些先進的大型單一衛星概念目標為1-4 Gbps。這些速率數據很大程度上受限于制作信號傳輸器的射頻功率放大器。Akash首次建造了一個小型衛星系統(12U)，它將初步實現14Gbps的下行數據速率。接下來的demo數據速率將超過100Gbps，而最終目標定為一個普通的衛星的下行速率達到1Tbps。為達到最終目標，他們將使用金剛石上的GaN射頻功率放大器。

       高靈敏的金剛石量子傳感器

       對電、磁多等基本物理量高分辨率靈敏度的探測在物理、材料、生命科學等領域均有重要應用。金剛石具有低電場放電的潛力，將使它成為場發射器的黑馬。金剛石的高電子遷移率，甚至可使它在未來登上半導體至尊的寶座。

       為此，科研人員提出了一種能抑制磁信號和噪聲同時對電場敏感的方法。設計了一種連續動力學解耦序列，形成特定的綴飾態空間，有效抑制了NV色心對磁場的響應，同時保留對電場的線性響應，從而構建了一個更加有效的電信號量子傳感器。

       這一成果有望在材料的電磁性質表征領域取得重要應用，由于其具有單個電子電荷的探測靈敏度，還可用于凝聚態以及半導體等材料的信號表征。(科技日報)

       金剛石-氮化硼晶體層可用于高功率器件

       北卡羅來納州立大學的材料研究人員已經開發出一種最新技術，將金剛石沉積在立方體氮化硼表面，結合成一種新的單晶體結構。

       這種材料可以用來制作大功率設備，如創建下一代智能電網所需的固態變壓器。

       金剛石電極技術，利用水分子治污水

       重污染工業企業危廢液等水處理一直是行業難以解決的痛點，需要額外添加化學試劑，容易產生二次污染，治理成本太高。

       德國Condias公司生產的金剛石薄膜電極技術，可以通過改變電極的大小電解水分子，使之生成羥基自由基等強氧化劑，從而氧化水中的各類有機污染物和細菌，再通過“冷焚燒”方式將其轉化為二氧化碳及相應的無毒無機物，達到凈化的目的。

       該項技術需要的所有有效成分直接來源于水分子本身，不需要添加任何化學物質，避免了二次污染和成本增加的問題。此外，該項技術的電能利用率和COD(化學需氧量)去除率高達99%以上，耐腐蝕性極強，占地空間小。

       金剛石陣列深度彈性應變，或開啟微電子量子新時代

       未來，鉆石將不只是傳統印象中的昂貴寶石，人造金剛石也不再是一種機械加工材料，金剛石還將會是一種極具潛力的電子材料、光電材料。

       陸洋團隊聯合哈爾濱工業大學及麻有省理工學院(MIT)等合作研究發現，鉆石這種最硬的材料不僅可以彎曲，甚至還可以發生彈性變形，以這一發現為突破口，首次采用納米力學方法，在室溫下沿(100)、(101)和(111)等不同晶體學方向對長度約為1微米，寬度約100-300納米的單晶金剛石橋結構進行微加工并在單軸拉伸載荷下實現了樣品的均勻彈性應變。

       此外，他們還通過相對較大的樣品展示了金剛石微橋陣列如何實現同步的深彈性應變。而超大的、高度可控的彈性應變，則能從根本上改變金剛石的能帶結構，最終計算出帶隙在某特定取向上最大可減小約2EV(電子伏特)，上述發現將對金剛石的電子應用產生重大影響。

       哈工大韓杰才院士與香港城市大學、麻省理工學院等合作，在金剛石單晶領域外取得重大科研突破。他們以“微納金剛石單晶的超大均勻拉伸彈性”為題在線發表于國際著名學術期刊《科學》。

       首次通過納米力學新方法，通過超大均勻彈性應變調控，從根本上改變金剛石能帶結構，為實現下一代金剛石基微電子芯片提供了一種全新的方法，為彈性應變工程及金剛石單晶器件的應用提供了基礎性和顛覆性解決方案。

       21世紀初，以金剛石、碳化硅(SiC)、氮化鎵(GaN)等為主的具有超寬帶隙特性的第三代半導體材料開始進入人們的視野，其中金剛石由于自身特性成了其中備受關注的佼佼者，甚至業界將其稱為“終極半導體材料”。

       理論上說，金剛石無論力學、光學還是導電性都具有極高的價值，金剛石制作的芯片也比硅芯片更強、更耐抗，即使是在高溫下也可以保持其半導體能力。

       竊聽器

       竊聽一直是全球性的經濟問題，每年都會造成巨大的財政損失。解決這一問題的方式是切斷所有可能被截取信息的通道。這套系統并不能阻止罪犯侵入通信網絡，但是一旦有竊聽者入侵，網絡中所有用戶都能立即知道有入侵者，迅速做出反應，選擇其他通道傳輸信息。這對現有的安全系統是一個極大的改進。

       這項技術的關鍵是量子密碼技術，它利用光纖傳輸信息時，每次只傳輸一個光子。人造金剛石可以生長出一些缺陷，滿足這種單光子要求。因為量子態不能復制，所以用戶立刻知道是否有人在竊聽信息。

       2.3熱學性能及應用

       鉆石不單是莫氏硬度表上最堅硬的材料，也有著良好的導熱性。與硅相比，鉆石保持能量的能力更強。對于智能手機來說，鉆石制造的處理器能夠減少發熱量。

       智能手機不是唯一的受益者，對于想要縮小設備中電路體積的公司來說，鉆石處理器都能帶來幫助。另外，重工業和航空航天業也需要鉆石處理器件來抵御高強度的輻射和X射線。若基于金剛石能夠提高功率密度，并為消費者創造更快、更輕、更簡單的設備。比硅芯片更便宜、更薄，基于金剛石電子產品成為高能效電子產品的行業標準。金剛石的即時散熱特性已使它逐漸成為高功率電子產品(如LED或激光)理想的散熱片。

       用鉆石塵給地球降溫

       美國哈佛大學的研究人員經過計算認為，用金剛石或氧化鋁的固體納米顆粒來嘗試這種“太陽輻射管理”可能有效，對環境的破壞也比硫酸鹽要少。

       研究表明，氧化鋁和鉆石的粉塵對臭氧層的影響明顯要小，造成的平流層升溫沒有那么高，地球表面漫射光的增加也沒有那么多。此外，等重的氧化鋁粉塵和硫酸鹽噴霧的冷卻效果類似，鉆石塵的效果卻要高出50%以上。

       當然，使用鉆石塵的成本可不是個小數目。每年需要數十億美元。但研究者堅信未來人造鉆石成本會下降。

       2.4醫學應用

       金剛石的人體相容性，也會使它成為生物材料(如心臟閥片或人工關節鍍膜)之最。

       金剛石合成石墨稀技術成功

       石墨烯這種材料的種種過人之處，比方說出色的強度、優異的電氣性能、熱傳導性和電子遷移率，這些不同的特點都讓石墨稀在觸摸屏、半導體、太陽能電池、超級電容器等領域產生巨大的影響。

       但是，只有在原材料純凈的情況下，才能生產出高性能的石墨烯。生產高性能石墨烯是非常有挑戰性的事情，但是美國能源部下屬的阿貢國家實驗室找到了一個可能解決的材料——超納米金剛石。

       阿貢國家實驗室的材料科學家與加州大學合作，使用超納米金剛石(UNCD)作為基底合成出來石墨烯。

       這種合成方式可以保證去除大部分雜質。這種合成方式可以在更低的溫度下合成石墨烯，比起用碳化硅合成石墨烯的方式(現在廣泛使用的方式)節省更多時間。三四層的碳化硅晶體價格接近1200美元，而UNCD的成本低于500美元，具有更高的經濟效益。

       阿貢實驗室的科技人員表示，他們與瑞典空間物理研究所合作，開發用于木星冰月探測器(UICE)計劃的石墨烯涂層探針，他們還與比北卡羅來納大學的研究人員合作開發用于生物傳感器的石墨烯探針。

       納米金剛石被成功注入活細胞為觀測細胞活動提供幫助

       研究人員在編造納米拖網作為基底，然后在上面添加細胞，當溫和的電脈沖被施加到基底層時，細胞膜的“孔”擴張，納米金剛石通過納米晶進入細胞。這種方法避免了金剛石被細胞內溶酶體包圍而失效。

       鉆石或在檢測早期癌癥中扮演重要角色

       最新研究顯示，鉆石可能在檢測最初期階段的癌癥方面扮演至關重要的角色。悉尼大學的物理學者已設想出一種方式，在磁共振成像(MRI)機器中點燃納米級人造鉆石，作為癌癥的指路明燈。

       鉆石無法在MRI掃描中自燃，但經過某些操作，它們可以被檢測到，論文首席作者Ewa Rej說：“我們在納米金剛石里磁化了原子，令它們能在MRI掃描中燃燒。”

       經處理的鉆石隨后會被依附到用來針對癌癥的特定化學物質上，注射到體內，在病人身體中穿行時受到追蹤。如果患癌，化學物質會被吸附到相應的區域，鉆石則在MRI掃描時發揮燈塔的作用。作者希望用這個發現來揪出初期難以被檢測到的癌癥，例如腦癌和胰腺癌。

       提高試管嬰兒的成功率

       精子具有強勁的游泳能力，這是它們的自然本能。但是在培養皿中，你就無法要求它們有優秀的表現，精子活力低是試管授精面臨的普遍問題。不過研究表明，也許不完全是這些小家伙的錯。濕潤的標準聚苯乙烯培養皿，其表面會軟化變成一種有毒的黏性物質，可能對細胞造成傷害。覆蓋了納米金剛石的水晶培養皿，則為細胞提供了安全港，在試管授精的過程中，能夠成活42小時的精子百分比遠高于聚苯乙烯容器。

       2.5儲能

       金剛石納米束儲能密度為鋰離子電池的3倍

       澳大利亞昆士蘭科技大學研發出了金剛石納米線束儲能系統，通過建模得出該系統能量密度可達1.67MJ kg-1，比同質量的鋼彈簧高出4-5個數量級，是鋰離子電池的3倍。

       當前可再生能源供應的解決方案，主要是利用工業廢熱、太陽能光伏能量或在環境中收獲機械能，包括電磁電能發生器、機械能采集器和電化學采集器等在內的各種能量采集器也應運而生。而面對這種間歇性可再生能源，也就意味著大規模的能量儲存成為21世紀能源領域的一個重要課題，基于這一考慮，該團隊想到一種材料——碳納米管(CNT)。

       通過一系列探究，發現金剛石在納米線束具有較高的機械能存儲密度，重力能量密度會隨線束的數量的變化而降低，其中扭轉和張力是主要影響因素。

       此外，金剛石納米線束與(10，10)碳納米管的機械能量存儲容量機相似，但金剛石納米線束有其自身的優越性——鑒于金剛石納米線束的結構，通過純張力就可實現其全部的機械能存儲潛力，即達到1.76MJ kg-1的能量密度，是鋰電池的3倍，因此完全可以用來作為儲能裝置。

       事實上研究團隊也表示，該系統未來可以用于穿戴技術、與心臟和大腦功能相關的生物醫學工具、機器人、下一代電力傳輸線、航天電子，以及發射、電池、智能紡織品和建筑材料等結構性復合材料等多個領域。

       3、人類將進入永恒的“金剛石時代”

       金剛石是上帝給人類的恩賜，其無與倫比的性質堪稱材料界的奇跡。早在數世紀前，金剛石就因其亮麗貴為寶石之王。金剛石的其他優越性質在材料界也是鶴立雞群。

       未來高功能金剛石膜的市場會更大，因此，工業金剛石的成長更會加速。金剛石的商品在未來普及化后，極有可能把人類物質文明提升到空前水準。由于其它材料的性質不可能超越金剛石，人類將進入永恒的“金剛石時代”。