一、引子

       碳元素家族一直是英杰輩出的家族：有各式各樣的石墨，有焦炭、炭黑等無(wú)定型炭，有足球形的富勒烯（C60），還有最近一直火熱的石墨烯。當(dāng)然，還有晶瑩剔透，光彩奪目的金剛石。

鉆石恒久遠(yuǎn)，一顆永流傳

       天然金剛石是自然界存在的一種特殊礦物，集諸多優(yōu)點(diǎn)于一身：天然物質(zhì)中硬度最高、彈性模量最大、熱導(dǎo)率也最高。除此之外還具有優(yōu)良的場(chǎng)致發(fā)射特性、禁帶寬度很大，摻雜后可用作半導(dǎo)體材料；金剛石還是性能優(yōu)異的光學(xué)窗口材料，在從紫外到遠(yuǎn)紅外，甚至到微波頻段，均具有優(yōu)良的透過(guò)率。

       天然金剛石礦藏由于受利益集團(tuán)的控制，在市場(chǎng)上的流通量有限，價(jià)格也一直居高不下。面對(duì)“鉆石恒久遠(yuǎn)，一顆永流傳”這樣的商業(yè)謊言，我們也只能干瞪眼。常言道：能用錢(qián)解決的問(wèn)題，都不是問(wèn)題。問(wèn)題是沒(méi)有錢(qián)！畢竟按“克拉”來(lái)賣(mài)的東西，能買(mǎi)一小顆哄哄老婆已經(jīng)不易。對(duì)于常規(guī)熱設(shè)計(jì)，如果你說(shuō)要用天然金剛石來(lái)解決散熱問(wèn)題，估計(jì)有兩種結(jié)果：要么你把領(lǐng)導(dǎo)嚇個(gè)半死，要么你被領(lǐng)導(dǎo)打個(gè)半死。

       好在除了天然金剛石之外，人造金剛石技術(shù)也日益成熟。在各種各樣的人造金剛石中，最有應(yīng)用潛力的方向是金剛石薄膜。目前，金剛石薄膜主要采用化學(xué)氣相沉積（CVD）技術(shù)制造而來(lái)，能夠制備幾乎各種形狀，理論上其尺寸不受限制。金剛石薄膜同樣具有優(yōu)異的物理化學(xué)性能，且成本較天然金剛石更為低廉，因此在電子、光學(xué)、機(jī)械等工業(yè)領(lǐng)域比天然金剛石更有優(yōu)勢(shì)！

CVD金剛石薄膜的部分應(yīng)用領(lǐng)域

       只要價(jià)格能控制在合適的范圍，我們?cè)跓嵩O(shè)計(jì)中用一下金剛石薄膜還是非常有希望的—畢竟我們熱設(shè)計(jì)也屬于“高端”行業(yè)嘛！本文主要對(duì)金剛石薄膜的熱學(xué)應(yīng)用作一淺顯介紹，期望拋出去一塊磚，引來(lái)一堆金剛石。

以下分幾個(gè)方面簡(jiǎn)單介紹：

       二、走近金剛石薄膜

       2.1 時(shí)刻牢記：

       曠世巨鉆，不過(guò)是碳！

       2.2 金剛石薄膜的等級(jí)

       金剛石膜按應(yīng)用場(chǎng)景及性能需求不同，分成不同等級(jí)，如要求較低的熱學(xué)級(jí)（熱沉片）和機(jī)械級(jí)（用于硬質(zhì)刀具），要求較高的電子級(jí)和光學(xué)級(jí)。不同等級(jí)的金剛石膜價(jià)格上有明顯的差異。

       上圖是ADT公司制備的不同類(lèi)型的金剛石膜：（1）淡藍(lán)色的為摻雜有硼元素的金剛石膜；（2）物色透明的為光學(xué)級(jí)膜；（3）黑乎乎的膜為機(jī)械級(jí)；（4）類(lèi)似于磨砂塑料片，表面粗糙的金剛石膜是CVD制備出來(lái)，未打磨的原始狀態(tài)。

       為了看的更直觀些，我把朋友發(fā)我的珍藏圖也拿出來(lái)。

       表面未作處理的粗糙料（熱沉級(jí)）

       甲：這粗糙的玩意兒，你告訴我是金剛石？！

       乙：嗯，確切地說(shuō)應(yīng)該叫類(lèi)金剛石！客官，不要只看表面嘛！打磨一下也是表面光潔如玉的呀！

       甲：這灰不拉嘰的圓片，即便打磨后也是灰色的吧？

       乙：嗯，是的！光潔如灰玉！灰玉也是玉嘛！來(lái)來(lái)來(lái)，客官，下面這張是打磨后的光學(xué)級(jí)的金剛石。

       甲：這看起來(lái)還像那么回事！

打磨拋光洗白白的金剛石膜（光學(xué)級(jí)）

       2.3 金剛石膜的導(dǎo)熱系數(shù)

       好了，閑言少敘。匯總一下不同類(lèi)型的剛石及其導(dǎo)熱系數(shù)。

       為啥不同類(lèi)型金剛石的導(dǎo)熱性能差異那么大？

       這涉及到金剛石的傳熱機(jī)理。不同于常規(guī)的金屬依靠電子運(yùn)動(dòng)來(lái)導(dǎo)熱，金剛石主要依靠聲子傳熱。而金剛石的晶界、雜質(zhì)、空位、三聲子過(guò)程等對(duì)載熱聲子的平均自由程有不同程度的影響，導(dǎo)致相應(yīng)的導(dǎo)熱能力（導(dǎo)熱系數(shù)）有差異。

上表中給出的是不同類(lèi)型的金剛石（膜）在300K的室溫下的導(dǎo)熱系數(shù)。實(shí)際上材料的導(dǎo)熱系數(shù)都是溫度的函數(shù)。對(duì)于常規(guī)的地面電子設(shè)備散熱溫區(qū)較小，一般導(dǎo)熱系數(shù)變化不大，可近似認(rèn)為恒定值。但對(duì)于金剛石膜這種高性能材料，其應(yīng)用場(chǎng)景可能更為特殊，所以有必要強(qiáng)調(diào)一下：材料的導(dǎo)熱系數(shù)是隨溫度變化的！比熱容也是隨溫度變化的！

       好啦！金剛石膜的熱設(shè)計(jì)應(yīng)用部分將在第二部分中介紹，敬請(qǐng)關(guān)注。