功能金刚石：从“终极潜力”到“产业现实”，机遇与挑战并存

金刚石集化学、物理和机械等优良性质于一身，过去其高硬度和耐磨性被广泛应用于机械、建材等多个领域。而功能金刚石则主要利用其电学、光学、热学、声学等非机械性能，这些优异性能至今尚未得到有效开发。

金刚石在电学上有超宽禁带、超高击穿场强等特性，有望成为 “终极半导体”；声学上具有最高表面声波速度和极高杨氏模量；光学上可透过从远红外到紫外小于带隙能量的光子；热学上导热性超过铜，具备跨领域应用潜力。

功能金刚石的合成

功能金刚石主要采用化学气相沉积（CVD）法，分为 CVD 薄膜和自支撑型厚膜，合成技术包括微波辅助型（MPCVD）、热丝型和直流型等。

MPCVD 技术能生长高质量金刚石，但设备昂贵、成本高，多用于生产高质量单晶；热丝型设备便宜、生长效率快，但易产生杂质；直流型设备价格居中、成本低、效率高，但稳定性和均匀性欠佳。

国际上，英国 Element Six 公司、日本等在大尺寸单晶金刚石合成上领先，英国公司 2004 年就长出 5mm×5mm 电子级单晶。日本Orbray公司实现直径2英寸（50.8mm）单晶晶圆制备；美国Diamond Foundry公司成功制造直径100mm（4英寸）单晶金刚石晶圆，为目前公开报道的最大尺寸。国内西安交大团队采用微波等离子体化学气相沉积（MPCVD）技术，成功实现2英寸异质外延单晶金刚石自支撑衬底的量产；晶钻科技等企业具备CVD功能性金刚石量产能力。

多晶金刚石成本低于单晶，在光学窗口领域优势显著，但制备成本仍高于传统材料。直流电弧等离子体喷射法生长速率高、成本低于 MPCVD，可能成为工业应用突破口。

纳米金刚石（ND）兼具金刚石特性和纳米尺度性能，合成方法有高温高压法、轰爆法等，在机械加工、润滑、医学等领域应用广泛，其表面改性是解决团聚问题的重要途径。近日，纳米金刚石相关第一个由中国主持制定的国际标准正式发布！

功能金刚石的应用

（一）宝石级人造金刚石

培育钻石是功能金刚石商业化应用的成功范例。随着美国 FTC 删除钻石定义中 “自然” 一词、戴比尔斯成立培育钻石品牌等事件，其地位显著提升。

培育钻石产量激增，2023年我国产量占全球90%以上，但价格持续走低。技术竞争：CVD法成本大幅降低，工艺稳定性提升，已实现工业批量生产；HTHP法可量产5~8mm钻石。

（二）金刚石半导体

金刚石被誉 “终极半导体”，禁带宽度约 5.5eV，热导率高，电子和空穴迁移率远高于第三代半导体，在大功率器件、深紫外发光二极管等领域潜力大。

美、日、欧在半导体器件研发上成效显著，美国AKHAN公司有望实现金刚石半导体器件产品化，日本 NIMS 开发出高质量金刚石 MEMS 传感器，英国团队也有重要进展，但尚未大规模商用。西安电子科技大学提出 "终端结构替代掺杂" 策略：氢终端金刚石已实现微波单片集成电路（MMIC）功能验证，硅终端金刚石因更高电导率和稳定性展现商用潜力。香港城市大学团队通过微纳尺度弹性应变工程调控金刚石带隙，理论上可实现金属化甚至超导状态。

（三）热学应用

金刚石热导率最高，是优良电子封装材料，典型应用有金刚石增强金属封装材料（Diamond/Cu、Diamond/Al）等。Diamond/Cu、Al 复合材料已商用，热导率达 350~600W/(m・K)，美日英等国已将其应用于军用计算机等领域。国内宁波赛墨科技也实现了金刚石铜复合材料量产。

（四）光学应用

CVD 金刚石可制成光学元件，多晶 CVD 金刚石窗口首批应用于 CO₂激光器出射窗口，其在 0.3μm 至 3μm 及大于 7.0μm 波长透明，满足理想电力传输窗口多项要求，在光学窗口领域部分已产业化。

此外，多晶金刚石还用于高端钟表装饰、手机显示屏和照相机镜头等。

（五）其他应用

声学器件

BDD 电极

金刚石 MEMS

量子技术

医学领域

纳米金刚石润滑油

添加千分之一球形纳米金刚石可提高抗磨减震效果，适用于面接触摩擦副。

功能金刚石若干热点问题

（一）产业化程度与水平

功能金刚石产业化在不同领域发展不平衡。培育钻石进入规模化生产，纳米金刚石实现标准引领，半导体金刚石虽技术未突破但产业化布局已启动。未来3-5年，高端散热材料与半导体应用将是竞争焦点。

（二）培育钻石相关思考

培育钻石市场空间大，但供应将剧增，价格持续走低；天然与培育钻石属性不同，需调整发展策略；CVD 与 HTHP 培育钻石竞争为主、互补为辅；需打造独立品牌，理性投资。

（三）半导体金刚石存在的问题

缺乏合适大尺寸衬底，拼接法效率低、成本高；单晶材料质量需提升；掺杂是最大障碍，需突破 N 型掺杂等技术。

展望

功能金刚石应用前景广阔，但产业化任重道远。需加强宣传，加大政府投入，吸引资本参与；推动半导体金刚石、医药领域研发；构建生态圈，促进产学研结合，推动成果产业化。

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