金剛石作為一種多功能超極限材料，具有優(yōu)異的電學(xué)、光學(xué)、熱學(xué)、力學(xué)、聲學(xué)、電化學(xué)性能，在眾多高新技術(shù)領(lǐng)域具有極佳的應(yīng)用前景。尤其是化學(xué)氣相沉積(CVD)金剛石膜的出現(xiàn)，為金剛石在諸多高新技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用創(chuàng)造了可能性，因此在20世紀(jì)80年代早期引發(fā)了席卷全球的“金剛石熱”。

       北京科技大學(xué)的呂反修教授在本綜述中介紹了我國CVD金剛石研究的歷史、現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢，尤其是產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。1987年初我國“863計(jì)劃”正式啟動，CVD金剛石膜研究從一開始就得到“863計(jì)劃”和國家自然科學(xué)基金的持續(xù)資助，在“八五”和“九五”期間曾設(shè)立重大關(guān)鍵技術(shù)項(xiàng)目。盡管“十五”期間，CVD金剛石膜研究經(jīng)歷了“最寒冷的冬天”，“863計(jì)劃”不再單列金剛石膜專題，國內(nèi)CVD金剛石膜研究也并未停止，金剛石膜產(chǎn)業(yè)化的勢頭同樣繼續(xù)加強(qiáng)。終于在“十一五”期間，CVD金剛石膜產(chǎn)業(yè)在國內(nèi)出現(xiàn)并初步站穩(wěn)了腳跟?！笆濉逼陂g，航空航天、電子等部門都相繼提出對金剛石膜的應(yīng)用需求，CVD金剛石膜研究和應(yīng)用繼續(xù)回暖，并逐步發(fā)展壯大。

       本文對我國CVD金剛石膜研究進(jìn)行了全面深入的回顧，還詳細(xì)介紹了金剛石膜的機(jī)械（摩擦）、熱學(xué)、光學(xué)、電子和聲學(xué)應(yīng)用現(xiàn)狀和發(fā)展前景。實(shí)驗(yàn)室培育金剛石的成功是中國CVD金剛石薄膜研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化中最重要的成就。

              內(nèi)容概覽

       機(jī)械應(yīng)用和實(shí)驗(yàn)室培育金剛石是CVD金剛石在中國最成功的兩個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域。

       目前，CVD獨(dú)立式厚金剛石薄膜產(chǎn)品以中國為主。但是，產(chǎn)值仍然不是很大。這是因?yàn)槭袌鍪艿綉?yīng)用（修整原木和切削工具毛坯）的特殊性的限制。另一個(gè)原因是目前的產(chǎn)品是原始類型——CVD金剛石原料。建議通過開發(fā)金剛石部件，即金剛石修整器和金剛石切割工具等，產(chǎn)量可以大大提高。還建議使用一些高價(jià)值的工具，例如鉆石手術(shù)刀和鉆石牙科工具。對于薄膜金剛石工具的應(yīng)用，建議先推廣現(xiàn)有技術(shù)，同時(shí)將應(yīng)用從金剛石涂層金屬管（和線）拉絲模具升級為密封部件和耐磨部件，以用于極端危險(xiǎn)環(huán)境，例如高溫，高腐蝕性和侵蝕性， 高輻射等，特別是在重載和高速工作的情況下！金剛石在危險(xiǎn)環(huán)境中的磨損應(yīng)用領(lǐng)域最具優(yōu)勢，潛在市場巨大且?guī)缀跏菬o限的。薄膜金剛石工具應(yīng)用的未來將非常光明。

 圖1. 左：金剛石薄膜涂層管拉絲模和由其拉制的銅管;

右圖：銅管拉圖使用金剛石薄膜涂層硬質(zhì)合金模具工作。

       金剛石散熱器已成功用于北斗七星導(dǎo)航衛(wèi)星。熱級金剛石薄膜材料現(xiàn)已在中國市場上市。但是，市場規(guī)模仍然不是很大。主要障礙是鉆石材料的高價(jià)格，這大大降低了性能與價(jià)格的比率，并使最終用戶在看貨會上退縮。然而，迫切需要在較便宜的金剛石散熱器上快速發(fā)展5G通信大功率基站電子、民用和軍用大功率電子和光電子。因此，材料供應(yīng)商有必要降低價(jià)格，要么通過進(jìn)一步改進(jìn)金剛石薄膜沉積和加工技術(shù)，要么通過對熱級金剛石薄膜產(chǎn)品進(jìn)行分級。對于最終用戶來說，明智的做法是為金剛石散熱器選擇正確的材質(zhì)，以降低成本。然而，材料供應(yīng)商和最終用戶之間的高效互通是絕對必要的。直流電弧等離子射流在熱級獨(dú)立式金剛石晶圓的批量生產(chǎn)中具有優(yōu)勢。但是，它能夠生產(chǎn)不同質(zhì)量等級的金剛石材料（從更便宜的工具級到昂貴的光學(xué)級金剛石晶圓）。直流電弧等離子射流的熱級金剛石材料的導(dǎo)熱系數(shù)與低端的工具等級（8-10 W/cm.K，淺棕色至淡黃色）和上端的光學(xué)等級（≥17 W/cm.K，淺黃色至無色）重疊。因此，正確選擇合適的熱級金剛石材料將是降低成本的有效途徑。強(qiáng)烈建議金剛石膜材料供應(yīng)商積極與最終用戶建立密切的聯(lián)系。一言以蔽之，對金剛石散熱器的需求迫在眉睫，而且要求很高。如果能降低熱級金剛石材料的成本，CVD金剛石膜的熱應(yīng)用前景將非常廣闊。

圖2. 左：由大功率直流電弧等離子射流制備的金剛石散熱器；

右：北斗七星導(dǎo)航衛(wèi)星中誕生的太空相控陣天線。

       目前中國光學(xué)級金剛石薄膜的質(zhì)量水平足以滿足光學(xué)應(yīng)用的要求。關(guān)于金剛石薄膜窗口和整流罩的研究計(jì)劃正在進(jìn)行中，并正在不斷取得進(jìn)展。精密加工的技術(shù)問題，特別是金剛石薄膜光學(xué)元件的幾何公差，必須進(jìn)一步改善。非常厚的金剛石薄膜（厚度高于2毫米，如拋光）的光學(xué)質(zhì)量下降是不可避免的。然而，在大多數(shù)情況下，1-2mm的厚度足以使金剛石薄膜光學(xué)元件承受動態(tài)大氣壓或保持真空密封性。建議最終用戶在設(shè)計(jì)金剛石光學(xué)元件時(shí)適當(dāng)降低安全系數(shù)，供應(yīng)商可以通過該系數(shù)提供質(zhì)量更高的光學(xué)金剛石元件。由于熱發(fā)射高度依賴于所用金剛石薄膜材料的質(zhì)量（缺陷密度），這對于在致密大氣環(huán)境中進(jìn)行高超音速飛行的人來說可能非常重要，因?yàn)榇髿鈩討B(tài)加熱，金剛石部件的熱發(fā)射可能是一個(gè)嚴(yán)重的問題。目前，光學(xué)金剛石薄膜產(chǎn)品已在中國市場商用。但是，市場規(guī)模較小。在不久的將來，CVD金剛石薄膜窗和整流罩的實(shí)際應(yīng)用將得以實(shí)現(xiàn)，這可能會在相關(guān)應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)揮重要作用，但市場可能不是很大。

圖3.中國首張厚度為0.3毫米（拋光）的全透明獨(dú)立式金剛石薄膜。

       BBD（硼摻雜金剛石）薄膜電極已成功用于傳統(tǒng)方法難以處理的工業(yè)和民用廢水的電化學(xué)處理、抗冠狀病毒環(huán)境的消毒和滅菌、醫(yī)療應(yīng)用的生物傳感器和探測器等的研發(fā)和原型設(shè)備。然而，到目前為止，中國還沒有主要的工業(yè)規(guī)模應(yīng)用市場。

       金剛石探測器已經(jīng)在中國的散裂中子源、中國原子能研究所(CIAE)的高亮度質(zhì)子束回旋加速器以及俄羅斯杜布納核中心的IBR-2MW中子線中成功進(jìn)行了測試。在不久的將來，它極有可能滿足外太空探測計(jì)劃、ITER(國際熱核聚變發(fā)電計(jì)劃)項(xiàng)目和中國高能粒子物理項(xiàng)目研發(fā)的需要。

       量子應(yīng)用進(jìn)展是顯而易見的。然而，制備“量子級”金剛石薄膜（或金剛石單晶）極其困難。它需要超純氣源、近零真空泄漏MWCVD金剛石沉積系統(tǒng)的實(shí)質(zhì)性技術(shù)進(jìn)步，以及優(yōu)化的金剛石沉積技術(shù)。

       在高性能聲表面波（SAW）器件的研發(fā)中，SAW器件已不再是主流。金剛石薄膜揚(yáng)聲器的市場非常小。

       實(shí)驗(yàn)室培育鉆石（LGD）的極其成功的商業(yè)化是中國CVD金剛石薄膜研發(fā)中最重要的成就。令人驚訝的是，到今年年底，用于LGD增長的MWCVD反應(yīng)堆估計(jì)可能會達(dá)到2500至3000套，這可能與印度的預(yù)測值兼容，印度是過去幾年世界上最大的CVD LGD制造商。然而，考慮到CVD LGD的年產(chǎn)量僅在一年半前的2020年幾乎被忽略，這真的是一個(gè)難以想象的巨大飛躍！因此，可以合理地猜測，明年CVD LGD的年產(chǎn)量很可能會超過印度。但是，必須指出的是，目前可用的信息在某種程度上是模棱兩可的，存在一些不確定性。特別是，有一個(gè)有爭議的觀點(diǎn)認(rèn)為，中國將很快出現(xiàn)LGD (HPHT和CVD)冗余產(chǎn)能危機(jī)，其依據(jù)是目前大部分LGD在中國生產(chǎn)(60%)，而大部分LGD在美國銷售(80%)，中國的市場規(guī)模只有10%，而大部分大克拉LGD在印度拋光。進(jìn)一步的論點(diǎn)是，中國的LGD生產(chǎn)能力一直在瘋狂擴(kuò)張，每年翻一番，而國外和中國的零售市場變化不大。無論如何，這個(gè)論點(diǎn)是有道理的。實(shí)驗(yàn)室培育鉆石的未來取決于中國市場，即中國客戶購買產(chǎn)品的意愿。

圖4. 10.57克拉實(shí)驗(yàn)室制造無色CVD鉆石，F(xiàn)色，VVS2 凈度， 3EX 切割。

       中國在CVD金剛石膜在電子應(yīng)用領(lǐng)域的研究進(jìn)展明顯，但與國外相比仍有一定的差距。SOD器件已經(jīng)用于實(shí)際應(yīng)用。金剛石基氮化鎵器件將在不久的將來投入使用，這將非常有助于促進(jìn)氮化鎵器件進(jìn)一步應(yīng)用于更高功率、更高頻率和更高溫度（或在高輻射環(huán)境中）領(lǐng)域。表面端接金剛石器件的研發(fā)將繼續(xù)進(jìn)行。第三代寬帶隙半導(dǎo)體的研發(fā)需求迫切。然而，由于SiC技術(shù)更加先進(jìn)，占據(jù)主流的是SiC，而不是金剛石。盡管如此，仍然需要金剛石作為下一代（終極）半導(dǎo)體，因?yàn)榻饎偸碾娮犹匦酝耆^了SiC。研制比其他半導(dǎo)體具有高功率密度和高頻率的大功率電子器件，具有重要的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)意義。在中國國內(nèi)外，對終極鉆石半導(dǎo)體的密集研發(fā)已經(jīng)開始。

       通信作者

       呂反修，北京科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院教授，1984年畢業(yè)于英國紐卡斯?fàn)柎髮W(xué)冶金及工程材料系，獲博士學(xué)位。第一、第二和第三屆國家“863計(jì)劃”新材料領(lǐng)域功能材料專家組辦公室主任。曾任中國熱處理學(xué)會副理事長、中國材料研究學(xué)會理事，Diamond and Related Material、《材料熱處理學(xué)報(bào)》等期刊編委。主要研究方向?yàn)榇竺娣e光學(xué)級金剛石自支撐膜制備、加工及其在軍事和民用光學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用，CVD金剛石膜涂層硬質(zhì)合金工具，納米金剛石膜及其高技術(shù)應(yīng)用等。