金剛石的功能應(yīng)用你知多少？

鄭州磨料磨具磨削研究所王光祖  衛(wèi)鳳午

中國超硬材料網(wǎng)  李旭銅 王少卓

       1、引言

       這是一篇作者們從眾多雜志或網(wǎng)站上收集，并經(jīng)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(dāng)你閱讀到本文功能應(yīng)用效果并找到答案后，一定會驚嘆地說，世界真奇妙！從專業(yè)的角度考量，文中案例都是與金剛石有關(guān)的技術(shù)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(shù)信息中，初步領(lǐng)略到金剛石功能的奇妙內(nèi)涵，其奧秘是非常非常深厚、豐富的。為此誘導(dǎo)材料學(xué)家對金剛石這個無邊無垠的課題，饒有樂意，持續(xù)不斷地進行探索、揭秘。俄國物理學(xué)家卡·馮·伯爾說：“科學(xué)的永恒性就在于不懈地尋求之中，科學(xué)就其容量而言，是永不枯竭的，就其目標(biāo)而言，是永遠不可企及的?！睘榱私沂靖嗟慕饎偸δ軕?yīng)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(yīng)用

       2.1熱學(xué)性能及應(yīng)用

       金剛石圓盤是控制核聚變反應(yīng)不可或缺的材料

       因為核電能給人們提供給一種環(huán)境友好型能源，所以世界各地的科學(xué)家都在為實現(xiàn)這一目標(biāo)而努力。而在這高精尖的領(lǐng)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(shù)中不可或缺的材料。

       在核反應(yīng)過程中，氫原子與氮原子發(fā)生聚變，會釋放巨大的能量。如果將其應(yīng)用在核電站中，那么有朝一日其將有助于人類可持續(xù)和安全的能源供應(yīng)。回旋管是一種微波振蕩器，在反應(yīng)堆中可產(chǎn)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(tài)。為了將來自回旋管的微波輻射擊引導(dǎo)到等離子體中，且在真空下將輻射性氚保持在反應(yīng)堆內(nèi)，DITK Strauss博士和IAM的Thio Scherer教授，合作設(shè)計了一個適合窗戶單元，而在此極端的環(huán)境下，也只有一種材料能夠擔(dān)此重任，那就是金剛石。

       反應(yīng)堆的墻體材料

       ITER計劃是當(dāng)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(biāo)是發(fā)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(yīng)堆所產(chǎn)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(yīng)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(huán)境中的化學(xué)穩(wěn)定性也是金剛石成為被選材料的重要原因。

       金剛石激光轉(zhuǎn)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(yōu)勢在于金剛石的熱傳導(dǎo)，金剛石的熱傳導(dǎo)系數(shù)比其他光學(xué)材料都要高，激光轉(zhuǎn)換器僅需在很小的設(shè)備安裝包內(nèi)即可完成，設(shè)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(nèi)透明度極高，研究者可以利用轉(zhuǎn)換器去生成眾多不同顏色的激光并應(yīng)用在高科技設(shè)備中。

       2.2光電性能及應(yīng)用

       引領(lǐng)高端制造業(yè)發(fā)展

       在科學(xué)家的眼中，單晶金剛石不光是“工業(yè)牙齒”，還是“終極半導(dǎo)體”，有專家甚至表示“沒有金剛石就沒有信息產(chǎn)業(yè)”。

       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(dǎo)彈飛行速度與打擊精度、大功率激光探測，可用作大規(guī)模集成電路及LED新光源熱沉等尖端領(lǐng)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(dǎo)體器件具有體積小、集成度高和無需制冷的優(yōu)勢。北京航空航天大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院教授張濤相信，金剛石將引發(fā)新一代半導(dǎo)體技術(shù)的革命。

       金剛石基GaN應(yīng)用：衛(wèi)星通信功率放大器

       目前而言最先進的商業(yè)衛(wèi)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(wèi)星概念目標(biāo)為1-4 Gbps。這些速率數(shù)據(jù)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(wèi)星系統(tǒng)(12U)，它將初步實現(xiàn)14Gbps的下行數(shù)據(jù)速率。接下來的demo數(shù)據(jù)速率將超過100Gbps，而最終目標(biāo)定為一個普通的衛(wèi)星的下行速率達到1Tbps。為達到最終目標(biāo)，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(xué)等領(lǐng)域均有重要應(yīng)用。金剛石具有低電場放電的潛力，將使它成為場發(fā)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(dǎo)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(shè)計了一種連續(xù)動力學(xué)解耦序列，形成特定的綴飾態(tài)空間，有效抑制了NV色心對磁場的響應(yīng)，同時保留對電場的線性響應(yīng)，從而構(gòu)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(zhì)表征領(lǐng)域取得重要應(yīng)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(tài)以及半導(dǎo)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(xué)的材料研究人員已經(jīng)開發(fā)出一種最新技術(shù)，將金剛石沉積在立方體氮化硼表面，結(jié)合成一種新的單晶體結(jié)構(gòu)。

       這種材料可以用來制作大功率設(shè)備，如創(chuàng)建下一代智能電網(wǎng)所需的固態(tài)變壓器。

       金剛石電極技術(shù)，利用水分子治污水

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

       德國Condias公司生產(chǎn)的金剛石薄膜電極技術(shù)，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(zhuǎn)化為二氧化碳及相應(yīng)的無毒無機物，達到凈化的目的。

       該項技術(shù)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(xué)物質(zhì)，避免了二次污染和成本增加的問題。此外，該項技術(shù)的電能利用率和COD(化學(xué)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(yīng)變，或開啟微電子量子新時代

       未來，鉆石將不只是傳統(tǒng)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(lián)合哈爾濱工業(yè)大學(xué)及麻有省理工學(xué)院(MIT)等合作研究發(fā)現(xiàn)，鉆石這種最硬的材料不僅可以彎曲，甚至還可以發(fā)生彈性變形，以這一發(fā)現(xiàn)為突破口，首次采用納米力學(xué)方法，在室溫下沿(100)、(101)和(111)等不同晶體學(xué)方向?qū)﹂L度約為1微米，寬度約100-300納米的單晶金剛石橋結(jié)構(gòu)進行微加工并在單軸拉伸載荷下實現(xiàn)了樣品的均勻彈性應(yīng)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(xiàn)同步的深彈性應(yīng)變。而超大的、高度可控的彈性應(yīng)變，則能從根本上改變金剛石的能帶結(jié)構(gòu)，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(fā)現(xiàn)將對金剛石的電子應(yīng)用產(chǎn)生重大影響。

       哈工大韓杰才院士與香港城市大學(xué)、麻省理工學(xué)院等合作，在金剛石單晶領(lǐng)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(fā)表于國際著名學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》。

       首次通過納米力學(xué)新方法，通過超大均勻彈性應(yīng)變調(diào)控，從根本上改變金剛石能帶結(jié)構(gòu)，為實現(xiàn)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(yīng)變工程及金剛石單晶器件的應(yīng)用提供了基礎(chǔ)性和顛覆性解決方案。

       21世紀(jì)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(dǎo)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(guān)注的佼佼者，甚至業(yè)界將其稱為“終極半導(dǎo)體材料”。

       理論上說，金剛石無論力學(xué)、光學(xué)還是導(dǎo)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(dǎo)體能力。

       竊聽器

       竊聽一直是全球性的經(jīng)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(tǒng)并不能阻止罪犯侵入通信網(wǎng)絡(luò)，但是一旦有竊聽者入侵，網(wǎng)絡(luò)中所有用戶都能立即知道有入侵者，迅速做出反應(yīng)，選擇其他通道傳輸信息。這對現(xiàn)有的安全系統(tǒng)是一個極大的改進。

       這項技術(shù)的關(guān)鍵是量子密碼技術(shù)，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(tài)不能復(fù)制，所以用戶立刻知道是否有人在竊聽信息。

       2.3熱學(xué)性能及應(yīng)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(dǎo)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(fā)熱量。

       智能手機不是唯一的受益者，對于想要縮小設(shè)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(yè)和航空航天業(yè)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(chuàng)造更快、更輕、更簡單的設(shè)備。比硅芯片更便宜、更薄，基于金剛石電子產(chǎn)品成為高能效電子產(chǎn)品的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。金剛石的即時散熱特性已使它逐漸成為高功率電子產(chǎn)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(xué)的研究人員經(jīng)過計算認(rèn)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(huán)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(dāng)然，使用鉆石塵的成本可不是個小數(shù)目。每年需要數(shù)十億美元。但研究者堅信未來人造鉆石成本會下降。

       2.4醫(yī)學(xué)應(yīng)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(guān)節(jié)鍍膜)之最。

       金剛石合成石墨稀技術(shù)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(yōu)異的電氣性能、熱傳導(dǎo)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(dǎo)體、太陽能電池、超級電容器等領(lǐng)域產(chǎn)生巨大的影響。

       但是，只有在原材料純凈的情況下，才能生產(chǎn)出高性能的石墨烯。生產(chǎn)高性能石墨烯是非常有挑戰(zhàn)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(xué)家與加州大學(xué)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(zhì)。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(xiàn)在廣泛使用的方式)節(jié)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(jīng)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(fā)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(xué)的研究人員合作開發(fā)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(wǎng)作為基底，然后在上面添加細胞，當(dāng)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(nèi)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(guān)重要的角色。悉尼大學(xué)的物理學(xué)者已設(shè)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(jīng)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?！?/p>

       經(jīng)處理的鉆石隨后會被依附到用來針對癌癥的特定化學(xué)物質(zhì)上，注射到體內(nèi)，在病人身體中穿行時受到追蹤。如果患癌，化學(xué)物質(zhì)會被吸附到相應(yīng)的區(qū)域，鉆石則在MRI掃描時發(fā)揮燈塔的作用。作者希望用這個發(fā)現(xiàn)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(yǎng)皿中，你就無法要求它們有優(yōu)秀的表現(xiàn)，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(biāo)準(zhǔn)聚苯乙烯培養(yǎng)皿，其表面會軟化變成一種有毒的黏性物質(zhì)，可能對細胞造成傷害。覆蓋了納米金剛石的水晶培養(yǎng)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(xué)研發(fā)出了金剛石納米線束儲能系統(tǒng)，通過建模得出該系統(tǒng)能量密度可達1.67MJ kg-1，比同質(zhì)量的鋼彈簧高出4-5個數(shù)量級，是鋰離子電池的3倍。

       當(dāng)前可再生能源供應(yīng)的解決方案，主要是利用工業(yè)廢熱、太陽能光伏能量或在環(huán)境中收獲機械能，包括電磁電能發(fā)生器、機械能采集器和電化學(xué)采集器等在內(nèi)的各種能量采集器也應(yīng)運而生。而面對這種間歇性可再生能源，也就意味著大規(guī)模的能量儲存成為21世紀(jì)能源領(lǐng)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(fā)現(xiàn)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(shù)量的變化而降低，其中扭轉(zhuǎn)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(yōu)越性——鑒于金剛石納米線束的結(jié)構(gòu)，通過純張力就可實現(xiàn)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(tǒng)未來可以用于穿戴技術(shù)、與心臟和大腦功能相關(guān)的生物醫(yī)學(xué)工具、機器人、下一代電力傳輸線、航天電子，以及發(fā)射、電池、智能紡織品和建筑材料等結(jié)構(gòu)性復(fù)合材料等多個領(lǐng)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(zhì)堪稱材料界的奇跡。早在數(shù)世紀(jì)前，金剛石就因其亮麗貴為寶石之王。金剛石的其他優(yōu)越性質(zhì)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(yè)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(zhì)文明提升到空前水準(zhǔn)。由于其它材料的性質(zhì)不可能超越金剛石，人類將進入永恒的“金剛石時代”。