新材料作為二十一世紀(jì)三大支柱產(chǎn)業(yè)之一，在整個(gè)人類(lèi)歷史進(jìn)程中都發(fā)揮著舉足輕重的作用。人類(lèi)的每一次科技革命，也是材料產(chǎn)業(yè)的革命。金剛石，這個(gè)世界上最堅(jiān)硬的物質(zhì)，因其諸多優(yōu)異的物理化學(xué)性質(zhì)，成為人們最為關(guān)注的材料之一，可以毫不夸張的說(shuō)，金剛石的出現(xiàn)，推動(dòng)了現(xiàn)代化工業(yè)的發(fā)展。然而對(duì)金剛石應(yīng)用的開(kāi)發(fā)，到目前也僅僅是冰山一角。究其原因，莫過(guò)于其高昂的價(jià)格。

隨著人們對(duì)大單晶金剛石需求的不斷增長(zhǎng)，各大高校及科研機(jī)構(gòu)、企業(yè)加快研究步伐，金剛石合成技術(shù)也日趨成熟，合成金剛石的質(zhì)量得以進(jìn)一步提高，成本不斷下降。為金剛石將來(lái)更尖端的科技應(yīng)用創(chuàng)造可能。今天我們就來(lái)盤(pán)點(diǎn)一下金剛石的兩個(gè)高端應(yīng)用。

1. 半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)應(yīng)用

1.1 芯片襯底

自20世紀(jì)50年代開(kāi)始，以硅(Si)、鍺(Ge)為主的第一代半導(dǎo)體材料使用至今已有70余年，時(shí)至今日，仍有95%以上的半導(dǎo)體器件和99%以上的集成電路由硅材料制作，但因硅自身的物理性質(zhì)缺陷，限制了其在高頻功率器件上的應(yīng)用。而以砷化鎵(GaAs)、磷化銦(InP)為代表的第二代半導(dǎo)體材料雖然在二十世紀(jì)末風(fēng)靡一時(shí)，但因其價(jià)格昂貴，且具有毒性，使得其應(yīng)用受到很大的局限性?，F(xiàn)如今，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(dǎo)體材料已成為國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)的熱點(diǎn)。三代半導(dǎo)體材料性質(zhì)對(duì)比如下：

由以上數(shù)據(jù)可以看出，作為第三代半導(dǎo)體材料中的佼佼者，金剛石材料具備高熱導(dǎo)率、高擊穿電場(chǎng)、高載流子遷移率、高載流子飽和速率和低介電常數(shù)等優(yōu)異的特性，滿足現(xiàn)代電子技術(shù)對(duì)高溫、高壓、高功率、高頻率以及抗輻射等惡劣條件的要求，已是業(yè)界公認(rèn)的“終極半導(dǎo)體材料”。

圖1 量子計(jì)算機(jī)芯片

以CVD方法制得的大單晶金剛石作為襯底材料可應(yīng)用于集成電路芯片、超高頻大功率電子器件、生物傳感器、航空航天及其他極端環(huán)境電子元器件等場(chǎng)景，將大幅度提升數(shù)據(jù)傳輸速率與轉(zhuǎn)化效率，降低功耗，未來(lái)在國(guó)防、航空航天、能源勘探、量子計(jì)算機(jī)、光存儲(chǔ)、5G通訊、太陽(yáng)能、汽車(chē)制造、半導(dǎo)體照明、智能電網(wǎng)等眾多領(lǐng)域發(fā)揮戰(zhàn)略性作用。

1.2 芯片散熱材料—熱沉

隨著科學(xué)的發(fā)展和技術(shù)裝備的提升，激光二極管列陣等大功率高密度器件已被越來(lái)越多地應(yīng)用于集成電路之中，但受限于普通材料的散熱性能，導(dǎo)致溫度不斷升高，大大降低了其性能，同時(shí)縮短了使用壽命。

圖2 MPCVD金剛石熱沉片

單晶金剛石材料具有目前所知的天然物質(zhì)中最高的熱導(dǎo)率，且工作溫度最高可達(dá)600℃以上，并具備化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、電器絕緣性好、介電常數(shù)小、熱膨脹系數(shù)與器件材料的膨脹系數(shù)基本相同、表面平滑性好等特性，是目前用作高功率密度的高端器件的散熱元件最理想的材料，可被應(yīng)用于5G芯片、激光二極管陣列、高速計(jì)算機(jī)CPU芯片多維集成電路、軍用大功率雷達(dá)微波行波管導(dǎo)熱支撐桿、GaN on diamond復(fù)合片、衛(wèi)星擴(kuò)熱板、微波集成電路基片、集成電路封裝自動(dòng)鍵合工具TAB等高技術(shù)領(lǐng)域。

2. 冷陰極場(chǎng)發(fā)射顯示器

隨著“大腦袋”電視、顯示器（即傳統(tǒng)陰極射線管顯示器，簡(jiǎn)稱CRT）逐漸離開(kāi)人們的視線，平板顯示器、電視迅速走進(jìn)了千家萬(wàn)戶，成為日常生活必不可少的工具。現(xiàn)在市場(chǎng)上主流平板顯示器主要有兩種：一是等離子顯示器（PDP）,依靠高能量的電子束轟擊屏幕產(chǎn)生圖像，其缺點(diǎn)是工作電壓大、能耗高且制造成本高；二是液晶顯示器（LCD），依靠液晶材料對(duì)光線的偏光作用產(chǎn)生圖像，其缺點(diǎn)是顯示速度慢、能耗高、視角范圍小。

圖3冷陰極場(chǎng)發(fā)射顯示器

由于單晶金剛石材料在光學(xué)、力學(xué)、熱學(xué)、電學(xué)等方面表現(xiàn)出的優(yōu)異特性，采用單晶金剛石材料制作冷陰極場(chǎng)發(fā)射顯示器（FED）已成為各大屏幕生產(chǎn)企業(yè)研發(fā)的重點(diǎn)。FED是一種自發(fā)光型平板顯示器，在繼承其他顯示器優(yōu)點(diǎn)的前提下，完美摒棄了其缺點(diǎn)。首先FED由數(shù)十萬(wàn)個(gè)冷發(fā)射子組成，在亮度、灰度、色彩、分辨率和響應(yīng)速度方面均表現(xiàn)優(yōu)異；其次，F(xiàn)ED顯示器核心部件的冷發(fā)射陰極到陽(yáng)極的距離僅為100μm，完全符合現(xiàn)在超薄顯示器發(fā)展規(guī)律；另外FED采用冷陰極電子源,具有功耗低、自發(fā)光、工作環(huán)境溫度范圍寬等優(yōu)點(diǎn)，工作電壓僅為1kV。隨著MPCVD生產(chǎn)金剛石材料的技術(shù)不斷成熟，F(xiàn)ED統(tǒng)領(lǐng)顯示器市場(chǎng)必將指日可待。