功能材料領(lǐng)域中的奇葩——金剛石

作為金剛石應(yīng)用，涉及技術(shù)面很廣，難度很大，需要各個領(lǐng)域相互合作研究才有可能在較短時間內(nèi)實(shí)現(xiàn)。今后不斷需要開發(fā)和完善CVD金剛石生長技術(shù)，開拓CVD金剛石膜在聲學(xué)，光學(xué)，電學(xué)應(yīng)用，它成為高科技發(fā)展的二十一世紀(jì)新材料。CVD的應(yīng)用既可用于工程材料，也可用作功能材料，以下僅以其功能應(yīng)用方面做點(diǎn)介紹。

何為功能材料？功能材料是指哪些用于工業(yè)和技術(shù)中的有關(guān)物理和化學(xué)功能，如光、電、磁、聲、熱等特性的各種材料，包括電功能材料、磁功能材料、光功能材料、超導(dǎo)材料、生物醫(yī)學(xué)材料、功能膜等。

何謂功能膜？它都具有哪些特點(diǎn)？功能膜是指具有光、磁、電過濾，吸附等物理性能和催化，反應(yīng)等化學(xué)性能的薄膜材料。       薄膜材料的特點(diǎn):薄膜材料是典型的二維材料，即在兩個尺度上較大，而在第三個尺度上很小。一般常用的三維塊體材料相比，在性能和結(jié)構(gòu)上具有很多特點(diǎn)。*大的特點(diǎn)是功能膜的某些性能可以在制備時通過特殊的薄膜制備方法實(shí)現(xiàn)。這是薄膜功能材料成為人們關(guān)注和研究的熱點(diǎn)材料的原因。

作二維材料，薄膜材料*主要的特點(diǎn)是所謂尺寸特點(diǎn)，利用這個特點(diǎn)可以實(shí)現(xiàn)把各種元器件微型化、集成化。薄膜材料很多用途都基于這一點(diǎn)，*典型的是用于集成電路和提高計(jì)算機(jī)存儲元件的存儲密度。

由于尺寸小，薄膜材料中表面和界面所占的相對比例較大，表面所表現(xiàn)的有關(guān)性質(zhì)極為突出，存在一系列與表面界面有關(guān)的物理效應(yīng):

(1)光干涉效應(yīng)引起的選擇性透射和反射；

(2)電子與表面碰撞發(fā)生的非彈性散射，使導(dǎo)電率，霍爾系數(shù)，電流磁場效應(yīng)等發(fā)生變；

(3)因薄膜厚度比電子的平均自由程小得多，且與電子的德羅布意波長相近時，在膜的兩個表面之間往返運(yùn)動的電子就會發(fā)生干涉，與表面垂直運(yùn)動的相關(guān)能量將取分立值，由此會對電子輸運(yùn)產(chǎn)生影響；

(4)在表面，原子周期性中斷，產(chǎn)生的表面能級，表面態(tài)數(shù)目與表面皮原子數(shù)有同一量級，對于半導(dǎo)體等載流子少的物質(zhì)將產(chǎn)生極大影響；

(5)表面磁性原子的鄰原子數(shù)減少，引起表面原子磁矩增大；

(6)薄膜材料各向異性等等。

由于薄膜材料性能受制備過程的影響，在制備過程中多數(shù)處非平衡狀態(tài)，因此可以在很大范圍內(nèi)改變薄膜材料的成分、結(jié)構(gòu)，不受平衡狀態(tài)的限制，所以人們可以制備出很多塊體難以實(shí)現(xiàn)的材料，得到新的性能，這是薄膜材料的重要特點(diǎn)，也是薄膜材料引起人關(guān)注的重要原因。無論采用化學(xué)法還是物理法都可以得到設(shè)計(jì)的薄膜。

金剛石膜都有哪些功能的應(yīng)用？

眾所周知，金剛石薄膜具有包括力學(xué)、光學(xué)、電學(xué)、聲學(xué)和化學(xué)在內(nèi)的許許多多其他材料無法比擬的優(yōu)異性能。正是這些優(yōu)異性能吸引科學(xué)技術(shù)工作者，對其在現(xiàn)代科學(xué)和現(xiàn)代工業(yè)中的應(yīng)用進(jìn)行探索的極大興趣。工程技術(shù)和功能技術(shù)兩大領(lǐng)域的應(yīng)用。以下將收集到的與功能應(yīng)用的部分事例列出，以期得到廣大讀者投入更多的關(guān)注，以推動CVD金剛石產(chǎn)業(yè)化在我國的進(jìn)程。

例一：金剛石是一種性能優(yōu)異的紅外光學(xué)材料，以紫外到遠(yuǎn)紅外波段均有良好的透過性，但在3.0-5.0um波段顯示出吸收性。隨著CVD技術(shù)的不斷發(fā)展，所制的高質(zhì)量金剛石薄膜的透過率和導(dǎo)熱率與*好的天然金剛石(IIa型)非常接近，而且能夠?qū)嵈竺婧颓�面化。但大多�?shù)金剛石薄膜研究集中在8.0-14um等重要波段的紅外光學(xué)性能。在多種紅外傳感器共用一個窗口時，要求光學(xué)透射波段要寬，其中包括3.0-5.0um，8.0-14.0um等重要波段。因此，金剛石薄膜必須通過與其他紅外材料的組合膜系以達(dá)到雙波段的紅外增透效果。盡管在材料硅上制備類金剛石薄膜的紅外透過波段寬，紅外透射率接近90%。但較金剛石薄膜的機(jī)械力學(xué)性能低，在惡劣環(huán)境條件下的適應(yīng)性較差。

例二：業(yè)界對工作理想光譜區(qū)域和功率范圍的緊湊型固態(tài)金剛石激光器的追求，澳大利亞的一個研究小組報(bào)道了一種光泵浦外腔CVD金剛石拉曼激光器。Bichard Mildren表示：“長期以來，人們一直認(rèn)為金剛石是非常的拉曼材料，但是直到過去的幾年，由于CVD生長方法能夠以合理的價格重復(fù)制造這種材料，才使我們可以實(shí)際進(jìn)行這方面的研究。”金剛石的拉曼增益系數(shù)，比金屬鎢酸鹽，硝酸鋇以及硅等其他可代替的拉曼材料要高。在所有的材料中，金剛石具有*大的拉曼頻移以及*寬的透光范圍，大約從紫外的225nm到遠(yuǎn)紅外的100nm。而且在如此寬的范圍內(nèi)，在許多光譜區(qū)域是目前的激光技術(shù)無法很好做到的，如醫(yī)學(xué)使用的黃光，這也是目前拉曼激光器研究的推動力之一。此外，金剛石的熱導(dǎo)率比其他大多數(shù)激光材料約高出兩個數(shù)量級，這為高功率激光器應(yīng)用提供了巨大潛力。

例三：為了建立文件，視頻信息以及圖表等檔案，越來越迫切需要一種密集的大容量的信息儲存手段。目前用的激光盤如DVD其信息容量只有4.7GB，而稱為Blu-Ray的第二代光盤的信息儲存量可達(dá)到25GB，但仍不能滿足電腦發(fā)展的需求。要增加光盤的信息容量就必須在降低激光波長的同時提高透鏡的數(shù)值孔徑(NA)。在所有可透過紫外線的材料中，金剛石的折射率*大。但是高溫高壓合成的金剛石和普通的CVD金剛石都不適用于制作可見光和紫外線的光學(xué)器件，原因是前者含有雜質(zhì)氮，后者為多晶質(zhì)。元素六公司研制出一種單晶CVD金剛石供制造近紅外線(波長0.75-2.5um)和可見光用的器件。用單晶CVD金剛石制作的高數(shù)值孔徑透光鏡用于近場光信息儲存，可使光盤的信息量大大提高，有可能提高到150GB以上。據(jù)稱，理論信息容量可高達(dá)550GB。

例四：導(dǎo)彈紅外視窗目前比較常用的紅外窗口材料有ZnS和ZnSe。這兩種材料雖然有很好的紅外透過能力，但容易受損傷。在軍事用途上，對于紅外窗口的要求非常嚴(yán)格。這些設(shè)備經(jīng)常工作在非常惡劣的條件下。例如，用于導(dǎo)彈的紅外窗口在導(dǎo)彈發(fā)射后，不但運(yùn)行于高速狀態(tài)，同時還要經(jīng)風(fēng)沙雨雪的考驗(yàn)。金剛膜是一種優(yōu)質(zhì)的表面材料，金剛石具有對紅外增透性，同時金剛石膜又可作為紅外窗口的一種良好的減反射膜材料。此外，金剛石的高導(dǎo)熱，耐磨等物理特性也可以很好的保護(hù)紅外窗口免受外界沖擊。因此在紅外窗口表面鍍金剛石膜，完全解決了軍工航天領(lǐng)域?qū)�紅外窗口的應(yīng)用各種問題。

例五：半導(dǎo)體器件。近年來采用等離子體化學(xué)沉積法合成出單晶質(zhì)金剛石即半導(dǎo)體級CVD金剛石，具有異常高的絕緣性和極優(yōu)異的載流子遷移率等綜合性能。所以，在高電壓和高頻率的應(yīng)用方面特別引人注意。在現(xiàn)代航空航天和汽車工業(yè)以及配電和輸電系統(tǒng)均有潛在市場需求。

半導(dǎo)體CVD金剛石的能帶隙，絕緣(耐壓)強(qiáng)度，載流子遷移率，導(dǎo)熱率等均遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過其他半導(dǎo)體材料，詳見表。

目前，具有*長使用壽命的電氣設(shè)備的一般絕緣溫度限是220℃，未來的絕緣材料的溫度限至少應(yīng)達(dá)到 400℃。采用已有的半導(dǎo)體技術(shù)很難做到減小動力電子變換器的質(zhì)量和體積并將它緊湊地與引擎合并為一體。減小動力電子設(shè)備中散熱和冷卻元件的質(zhì)量和體積并使它在高溫下工作，關(guān)鍵是耐高溫的問題。寬能帶隙半導(dǎo)體如CVD金剛石具有能夠比目前使用的硅功率器件達(dá)到的工作溫度高得多的條件下工作。用CVD這種寬能帶隙材料制造的固體電路器件具有不同于硅器件的優(yōu)越特性，有可能改善現(xiàn)有電氣設(shè)計(jì)和電路布局，從而影響宇航工業(yè)未來動力電子設(shè)備的結(jié)構(gòu)。

例六：CVD金剛石膜散熱性

電子設(shè)備處于微型化的同時其功率卻在不斷增長，由此所產(chǎn)生的散熱問題成為微電子封裝技術(shù)的關(guān)鍵問題。面對傳統(tǒng)封裝材料的各種限制，發(fā)展起來越來越多的新型散熱材料，它們具有低熱膨脹系數(shù)，超高導(dǎo)熱率，以及很輕的質(zhì)量。CVD金剛石膜作為上述材料的代表，其熱導(dǎo)率可達(dá)到2000W/(m.K)的水平，同時還具有優(yōu)異的力學(xué)，光學(xué)，電學(xué)，聲學(xué)和化學(xué)性質(zhì)，與天然金剛石相比，結(jié)構(gòu)一致，性能基本無差異，且成本低廉，使其在高功率光電器件散熱的優(yōu)勢明顯優(yōu)于其他材料。目前CVD膜在國外已經(jīng)有熱管方面的應(yīng)用例子，主要解決高功率大熱流密度元件導(dǎo)致系統(tǒng)的散熱問題，包括高功率激光二極管，二維多芯片組裝(MCM)以及固態(tài)微波功率器件的散熱應(yīng)用

例七：微波技術(shù)中的應(yīng)用

眾所周知，微波技術(shù)廣泛應(yīng)用于測量、雷達(dá)、遙控、電視、射電天文學(xué)、微波波譜學(xué)、微波接力通訊、粒子加速器等領(lǐng)域。值得注意的是，金剛石微波透射窗，是目前正在進(jìn)行核聚變試驗(yàn)的關(guān)鍵部件。元素六公與世界上主要的核聚變研究機(jī)構(gòu)合作研制的金剛石微波透射窗可應(yīng)付超過1MV的微波功率，其能力比任何其他材料透射窗大1倍以上。由于CVD金剛石對微波能的吸收率低，但熱導(dǎo)率高，而且介電常數(shù)小，因而在微波應(yīng)用中是至關(guān)重要的。

目前，DMD和INEX合作正在研究采用元素六公司生產(chǎn)的單晶CVD制造金屬半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管的可能性。金屬半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管一直被認(rèn)為是用CVD金剛石制造的*有發(fā)展前景的器件之一。因?yàn)榻饎偸�與傳統(tǒng)的半導(dǎo)體相比，具有更高溫度和更高擊穿壓力下工作能力。

金剛石除了具有極高的硬度，熱導(dǎo)率，斷裂強(qiáng)度和很好的化學(xué)惰性之外，它的高介電強(qiáng)度以及很好的空穴電子遷移率和寬能帶隙引起了廣泛的注意。因?yàn)榕c電子線路中應(yīng)用的具有競爭力的材料如硅和砷化鎵相比，單晶CVD金剛石的內(nèi)在固有性質(zhì)顯然更為優(yōu)越，在高科技的應(yīng)用中有強(qiáng)勁的需求。DMD和設(shè)計(jì)與制造多種微波器件及電子系統(tǒng)的*企業(yè)Filtronie聯(lián)合，在原料，半導(dǎo)體器件以及電路設(shè)計(jì)互補(bǔ)的科技力量研究新型的金剛石器件以期改進(jìn)微波功率電子設(shè)備，有可能引起微波功率電子設(shè)備的大變革。

例八：新型固態(tài)激光器將金剛石用作固態(tài)激光器材料為設(shè)計(jì)小而緊湊的激光器帶來了新的機(jī)遇，這些激光器將具有更強(qiáng)的功率承載能力，并在當(dāng)前無法獲得的波長下進(jìn)行，因而會開辟新的應(yīng)用領(lǐng)域。金剛石擁有獨(dú)特的光學(xué)和熱學(xué)的綜合特性，因此非常適合于這些應(yīng)用，通過元素六生產(chǎn)的*新單晶CVD金剛石材料可以利這些特性。例如，拉曼激器已經(jīng)利用硅等材料被開發(fā)出來，而且正被應(yīng)用于電信領(lǐng)域，而利用金剛石則可以將其性能提升至新的功率水平和更多的波長。

由于熱量的問題，目前的幾代連續(xù)波固態(tài)拉曼激光器被局限于區(qū)區(qū)幾瓦功率。金剛石具有很強(qiáng)的導(dǎo)熱性和低的熱膨脹系數(shù)，因此擁有更大的功率承載能力。Kemp博士指出，“激光工程中*不受關(guān)注但卻*普遍的問題是如何處理熱能，尤其是當(dāng)你希望在小封裝中實(shí)現(xiàn)高性能的時候。在高功率拉曼激光器中這一問題尤為特出，因此能夠成為很好的拉曼轉(zhuǎn)換器的晶體通常導(dǎo)熱性很差，于是金剛石便有了它的用武之地。金剛石的導(dǎo)熱性比常用的拉曼旋光晶體高出兩到三個數(shù)量級，它的應(yīng)用是一種出色的拉曼介質(zhì)，我們能夠?qū)崿F(xiàn)更高的輸出功率”。此外，與目前使用的拉曼旋光晶體相比，金剛石改變波長的能力更強(qiáng)一些，這可能會增加它的應(yīng)用潛力。ChirsWort說，與傳統(tǒng)的拉曼介質(zhì)相比，金剛石擁有更高的拉曼增益系數(shù)和更大的拉曼位移。

例九：高溫高頻半導(dǎo)體材料應(yīng)用

CVD金剛石是一種性能優(yōu)異的高溫，寬帶隙半導(dǎo)體材料，其電子和空穴載流子遷移速率極高。CVD金剛石半導(dǎo)體其工作*高溫度達(dá)到600℃以上，這是金剛石材料被定格的*應(yīng)用。CVD代替目前*廣泛應(yīng)用的磧鍺，硅和砷化鎵半導(dǎo)體材料，將成為半導(dǎo)體材料和技術(shù)發(fā)展的里程碑。因此，材料科學(xué)家預(yù)測，CVD半導(dǎo)體器件的問世是電子技術(shù)的一場革命。目前金剛石二極管，場效應(yīng)二極管以及在惡劣環(huán)境下使用的多種光敏-壓敏-熱敏半導(dǎo)體器件已研制成功，并開始應(yīng)用和進(jìn)入市場。

例十：CVD金剛石比傳統(tǒng)散熱材料好在哪？

作為鉆石的直屬親系，具有碳單質(zhì)特性的金剛石本事可不小，包括已知的*高導(dǎo)熱率，剛度和硬度，同時在較大波長范圍內(nèi)具有光學(xué)傳輸特性，低熱膨脹系數(shù)和低密度屬性。這些性使金剛石成為能夠顯著降低熱阻的熱管理應(yīng)用材料。

要合成熱管理所需金剛石，*步是選擇*確當(dāng)?shù)某练e技術(shù)。微波輔助CVD能夠更好的控制晶粒大小和晶粒界面，從而生成符合特定熱導(dǎo)率級別所需高品質(zhì)高再現(xiàn)性多晶金剛石。目前，CVD已實(shí)現(xiàn)商業(yè)化，有1000-2000W/(m.k)不同等級熱導(dǎo)率可供選擇。CVD金剛石還具有完全各向同性特征，強(qiáng)化各方向上的熱量擴(kuò)散。

借助近期技術(shù)發(fā)展，CVD金剛石已實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)，且成本迅速降低。未經(jīng)金屬化處理的CVD金剛石散熱器批量生產(chǎn)成本為1美元/mm3，價格主要取決于熱導(dǎo)率等級，對于0.25-0.40mm之間的常見厚膜和橫向尺寸等于晶片大小的應(yīng)用，射頻器件金剛石散熱器尺寸通常小于5mm3。因此，只需芯片層額外附加幾美元的增量成本，則可大幅降低系統(tǒng)成本。例如，若能實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)在更高溫度下運(yùn)行，則冷卻系統(tǒng)的初始成本和之后的持續(xù)運(yùn)行成本均可降低。采用適當(dāng)?shù)男酒�粘貼方法，金剛石散熱器可為半導(dǎo)體封裝提供可靠的熱管理解決方案。

*后:愿望潛力

值得注意的是，單晶CVD金剛石制作的超高強(qiáng)度砧座可用于新材料合成與基礎(chǔ)科學(xué)研究新一代高壓試驗(yàn)裝置。元素六公司作為研究CVD金剛石的*企業(yè)，正在積極開發(fā)利用這種材料的*性能，這可能對科學(xué)技術(shù)的發(fā)展產(chǎn)生巨大而深遠(yuǎn)的影響。

用CVD金剛石這種寬能帶隙材料制造的固體電路器件，具有不同于硅器件的優(yōu)越特性，有可能改善現(xiàn)有電氣設(shè)計(jì)與電路布局，從而影響宇航工業(yè)未來電子設(shè)備的結(jié)構(gòu)。

如果量子級超高純度單晶質(zhì)CVD金剛石，在量子計(jì)算機(jī)的應(yīng)用獲得成功，將極大提高計(jì)算機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)速度，快速搜索查找浩如煙海的數(shù)據(jù)庫并建立復(fù)雜的計(jì)算模型，就有可能迅速破譯極其復(fù)雜的密碼。目前，各國軍事機(jī)構(gòu)均不遺余力支持量子計(jì)算機(jī)的研發(fā)，可以說，這種超純度各向同性量子單晶質(zhì)CVD金剛石的研制成功，標(biāo)志著CVD技術(shù)合成金剛石發(fā)展的一個里程碑。ADT公司成功研制的UNCTHorigon，是迄今世界上*光滑的UNCD薄膜，標(biāo)志著CVD金剛石技術(shù)水平一個劃時代的躍進(jìn)，使金剛石薄膜的表面光潔度達(dá)到電子級硅晶片水平，開創(chuàng)了金剛石薄膜在電子器件和生物醫(yī)學(xué)器件上多樣子應(yīng)用的新時代。