50 多年來(lái)，采用高壓高溫技術(shù)（HPHT） 制造的合成金剛石廣泛應(yīng)用于研磨應(yīng)用，充分發(fā)揮了金剛石極高硬度和極強(qiáng)耐磨性的特性。在過(guò)去20年中，基于化學(xué)氣相沉積（CVD） 的新金剛石生成方法已投入商業(yè)化應(yīng)用，這樣就使得以較低成本生成單晶和多晶金剛石。這些新合成方法支持全面開(kāi)發(fā)利用金剛石的光學(xué)、熱學(xué)、電化、化學(xué)以及電子屬性。

　　目前金剛石已廣泛應(yīng)用于光學(xué)和半導(dǎo)體行業(yè)。本文主要討論金剛石的熱學(xué)優(yōu)勢(shì)，介紹金剛石散熱片的工作原理，簡(jiǎn)要展示金剛石生成方法，總結(jié)金剛石的一些常見(jiàn)應(yīng)用（包括應(yīng)用方法）并以金剛石未來(lái)應(yīng)用前景作為結(jié)論。首先我們來(lái)簡(jiǎn)單介紹金剛石成為室溫下所有固體材料中最佳導(dǎo)熱體的原因及原理。

　　金剛石導(dǎo)熱原理

　　金剛石是立方晶體，由碳原子通過(guò)共價(jià)鍵結(jié)合形成。金剛石的許多極致屬性都是形成剛性結(jié)構(gòu)的sp? 共價(jià)鍵強(qiáng)度和少量碳原子作用下的直接結(jié)果。

　　金屬通過(guò)自由電子傳導(dǎo)熱量，其高熱傳導(dǎo)性與高導(dǎo)電性相關(guān)聯(lián)，相比之下，金剛石中的熱量傳導(dǎo)僅由晶格振動(dòng)（即聲子）完成。金剛石原子之間極強(qiáng)的共價(jià)鍵使剛性晶格具有高振動(dòng)頻率，因此其德拜特征溫度高達(dá)2,220°K.由于大部分應(yīng)用遠(yuǎn)低于德拜溫度，聲子散射較小，因此以聲子為媒介的熱傳導(dǎo)阻力極小。但任何晶格缺陷都會(huì)產(chǎn)生聲子散射，從而降低熱傳導(dǎo)性，這是所有晶體材料的固有特征。金剛石中的缺陷通常包括較重的？？C同位素、氮雜質(zhì)和空缺等點(diǎn)缺陷，堆垛層錯(cuò)和位錯(cuò)等擴(kuò)展缺陷以及晶界等2D缺陷。

　　作為專(zhuān)門(mén)進(jìn)行熱管理的元件，天然金剛石應(yīng)用在一些早期微波和激光二極管器件中[1]、[2].但適用天然金剛石板的可用性、尺寸及成本限制了金剛石的市場(chǎng)應(yīng)用。隨著熱學(xué)屬性與IIa型天然金剛石（圖1）相類(lèi)似的微波輔助型CVD 多晶金剛石的出現(xiàn)，可用性問(wèn)題得到了解決。目前，許多供應(yīng)商提供一系列現(xiàn)成的熱學(xué)等級(jí)的金剛石。由于獨(dú)立式多晶金剛石采用直徑達(dá)140 mm 的大型晶片（圖1）生成，因此尺寸不再局限為單個(gè)器件或小型陣列，陣列尺寸可擴(kuò)展至幾厘米?；谝陨显?，CVD 金剛石的實(shí)用性得到驗(yàn)證，自20世紀(jì)90年代以來(lái)已被廣泛應(yīng)用于各種器件之中。

　　圖2. 通過(guò)IIa 型天然金剛石激光閃光法所測(cè)的層面間熱導(dǎo)率與溫度對(duì)比[3]

　　如圖2 所示，TM200（TM 表示熱，200 表示熱導(dǎo)率>2,000 Wm??K??）室溫下熱導(dǎo)率為2,200 Wm??K??,超過(guò)銅熱導(dǎo)率5 倍（參見(jiàn)表1）。元素六提供一系列產(chǎn)品，因此可根據(jù)技術(shù)要求和預(yù)算訂制熱傳導(dǎo)能力及成本。由于室溫下熱導(dǎo)率>1,000 Wm?? K??,TM100超過(guò)氮化鋁等陶瓷材料4到6 倍。

　　高級(jí)產(chǎn)品在低于室溫條件下的熱性能更具優(yōu)勢(shì)，溫度低至100°K時(shí)熱導(dǎo)率顯著提高。圖2中TM180 和TM200 等級(jí)顯示的性能與溫度變化趨勢(shì)與IIa 型天然金剛石類(lèi)似。

　　我們采用表征技術(shù)對(duì)不同等級(jí)的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行了詳細(xì)分析。在研究范圍內(nèi)，TM100的傳導(dǎo)能力對(duì)溫度敏感度較低。CVD 金剛石中的晶粒尺寸隨著厚度的增加而增加，對(duì)傳導(dǎo)能力有明顯的影響。對(duì)于同等晶粒大小的CVD 金剛石，TM100 和TM180 中的點(diǎn)缺陷密度相似，但TM100 中的錯(cuò)位密度比TM180 高三個(gè)數(shù)量級(jí)。此差異在聲子散射中起主要作用，同時(shí)對(duì)傳導(dǎo)能力存在顯著影響。TM180 和TM200 中測(cè)得的錯(cuò)位密度相似，但較低溫度下傳導(dǎo)能力的微小差異可由晶粒大小以及TM200 中點(diǎn)缺陷密度比TM180 低5 倍進(jìn)行解釋。本文以下段落將探討其它生成技術(shù)，

　　表1. 綠色= 顯著優(yōu)勢(shì)，黃色= 中等優(yōu)勢(shì)，紅色= 負(fù)面影響

　　半導(dǎo)體市場(chǎng)中電源轉(zhuǎn)換器或固態(tài)射頻功率放大器等領(lǐng)域的功率密度不斷提升，使局部熱管理負(fù)擔(dān)越來(lái)越重。CVD金剛石同時(shí)具有高熱傳導(dǎo)性及電氣絕緣等極致屬性，是解決上述問(wèn)題的理想選擇。我們的測(cè)量結(jié)果表明，微波輔助型CVD 金剛石層面內(nèi)與層面間傳導(dǎo)能力之比低于10%,與測(cè)量不確定度相差無(wú)幾。各向同性熱屬性和電氣絕緣是許多熱學(xué)應(yīng)用中散熱片的重要屬性。這與高取向性熱解石墨等材料形成鮮明對(duì)比，后者具有導(dǎo)電性并且熱傳導(dǎo)性為各向異性，如表2所示。

　　表2. 不同CVD 技術(shù)合成的多晶金剛石熱屬性比較。