金刚石是一种由碳元素构成的矿物，其名称来自于其希腊文名“adamas”，意为“不可征服”。它在古代被誉为“天然奇迹”，直至现代，金刚石的奥秘依然吸引着科学家和工程师的关注

金刚石的奇特之处：地球上最硬的天然物质

金刚石的奇特之处在于它是地球上最硬的天然物质。这一特性使得金刚石在科学、工业和高技术领域中得到广泛应用，并且在人类历史上一直备受赞叹和研究。

金刚石作为地球上最硬的天然物质，其硬度、热传导性、低热膨胀系数和光学特性等奇特之处，使得它成为众多领域中不可替代的材料。从工业到科技，金刚石的应用范围广泛，持续推动着人类技术和社会的进步。

形成的奥秘：高压高温条件下的地幔合成

金刚石的形成是地球深处地幔中的一种自然奇迹，需要极端的高压和高温条件。这个过程发生在地球深处几百公里到数百公里的地幔层，属于高温高压的合成环境。

金刚石的形成是由于地幔深处极端的高压和高温条件，以及适量的碳源供应。这些因素共同作用，促使碳原子形成金刚石晶体结构，并通过地球动力学过程将其带至地表。这一过程是地球深处奥秘的产物，使得金刚石成为地球上珍贵而独特的宝石。

珍贵的物理性质：热传导性、光学透明等特性

金刚石作为一种珍贵的物质，不仅因其无与伦比的硬度而受到赞赏，还因其独特的物理性质在科技和工业领域中得到广泛应用。以下是金刚石的两个珍贵的物理性质的分析：

1. 热传导性：金刚石具有非常高的热传导性能。它是自然界中热传导率最高的物质之一。这意味着金刚石可以快速有效地将热量传导到周围环境，使其迅速冷却或散热。这种高热传导性使金刚石成为优秀的热导体，在高功率电子器件和高温环境下的散热应用中十分重要。例如，金刚石可以用作散热片，可以帮助电子器件散去产生的大量热量，防止器件过热而损坏。

2. 光学透明性：金刚石在特定波长范围内具有广泛的光学透明性。尤其在紫外线和红外线波段，金刚石表现出较高的透光率，让这些特定的光线能够穿透它而不被吸收或散射。这使得金刚石在光学器件和激光技术中有着重要的应用。例如，金刚石可用于制造激光窗口、光学透镜和光学传感器等。其高光学透明性和稳定性使其成为高性能激光系统的理想材料。

3. 这两个珍贵的物理性质使得金刚石成为工业和科技领域中的重要材料。它的热传导性能在高温应用中有着广泛的用途，能够帮助控制和分散热量，防止器件过热而失效。其光学透明性则使其在激光技术和光学设备制造中得到广泛应用，能够有效地传导特定波长的光线，为光学器件的性能提供了稳定和高效的支持。

4. 然而，尽管金刚石具有这些优异的物理性质，其开采和加工仍然是一项复杂和昂贵的任务。因此，为了保护金刚石资源，需要采取可持续的开采和管理政策，确保其持续供应，并且同时注重环境保护。同时，进一步研究和利用金刚石的物理性质，也有望为更多科技和工业领域带来创新和进步。

金刚石不断拓展在半导体领域应用范围

从半导体材料的三项重要参数看，新一代半导体材料在电子迁移率、饱和漂移速率、禁带宽度三项指标上均有着优异的表现。半导体行业中有“一代材料、一代技术、一代产业”的说法。金刚石是最有应用前景的新一代半导体材料之一。其热导率和体材料迁移率在自然界中最高，在制作功率半导体器件领域应用潜力巨大。

目前，全球都在加紧金刚石在半导体领域的研制工作。其中，日本已成功研发超高纯2英寸金刚石晶圆量产方法，其存储能力相当于10亿张蓝光光盘。随着我国加快推动关键技术突破，功能金刚石材料将由实验室阶段向商业化转变。

高品质大尺寸超纯CVD金刚石可用于珠宝首饰、精密刀具、光学窗口、芯片热沉、半导体及功率器件等高端先进制造业及消费领域。半导体用精密金刚石工具，常见的有：倒角砂轮、减薄砂轮、CMP-Disk、硬刀(电铸划片刀)等，可用于第三代半导体（例如：碳化硅）加工过程的切割、磨削、减薄、抛光等工序。

金刚石半导体商用加速！

不过目前金刚石目前实现商业应用尚有较大距离。金刚石材料的高成本和小尺寸是制约金刚石功率电子学发展的主要障碍。举例而言，CVD 制备中掺氮的金刚石单晶薄片( 6 mm×7 mm) 的位错密度目前可低至400 cm-2 ; 但金刚石异质外延技术的晶圆达4～8 英寸时，位错密度仍高达近107 cm-2量级，高缺陷密度仍是一个挑战。

更为关键的是，金刚石还比较脆，难以加工。虽然金刚石的硬度非常高，但当它破裂时，它们会以非常特殊的不规则方式破裂，这对于制造半导体晶圆来说非常具有挑战。

近期，由日本千叶大学工程研究生院Hirofumi Hidai教授领导的研究小组找到了解决这个问题的方法。他们使用了一种新颖的基于激光的切片技术，可用于沿最佳晶体平面干净地切割金刚石，从而生产光滑的晶圆。他们的工作在《金刚石与相关材料》杂志上发表的一篇文章中有详细介绍。

包括金刚石在内的大多数晶体的性质都沿着不同的晶面变化，这些晶面是包含构成晶体的原子的假想表面。例如，可以容易地沿着{111}表面切割金刚石。然而，切割{100}是具有挑战性的，因为它也会沿着{111}解理面产生裂纹，增加切口损失。

为了防止这些不希望的裂纹传播，研究人员开发了一种金刚石加工技术，将短激光脉冲聚焦在材料内狭窄的锥形体积上。Hidai教授解释道，集中激光照射将金刚石转化为密度低于金刚石的无定形碳。因此，激光脉冲修饰的区域密度降低，并且会形成裂纹。

通过将这些激光脉冲以方形网格模式照射到透明钻石样品上，研究人员在材料内部创建了一个由小裂纹易发区域组成的网格。如果网格中的改性区域之间的空间和每个区域使用的激光脉冲的数量是最优的，则所有改性区域通过优先沿着{100}平面传播的小裂纹相互连接。因此，通过简单地将锋利的钨针推到样品的侧面，即可轻松将具有{100}表面的光滑晶圆与块体的其余部分分离。

总的来说，这项技术是使金刚石成为下一代半导体材料的关键一步。对此，Hidai教授表示，金刚石切割能够以低成本生产高质量的晶圆，是制造金刚石半导体器件所不可或缺的。因此，这项研究使我们更接近实现金刚石半导体在社会中的各种应用，例如提高电动汽车和火车的功率转换率。

金刚石探测器市场潜力巨大

金刚石能探测从紫外线和 X 射线到粒子的多种射线。拥有制造符合高级探测应用所要求的尺寸、质量和结构均匀的金刚石材料，为多种行业的新型探测器打开了一个潜力巨大的新市场。

目前，已开发的金刚石探测器产品，包括在高能物理研究中的应用，例如：欧洲核子研究中心 (CERN) 的大型强子对撞机 (Large Hadron Collider) 项目、在德国重离子研究中心 (GSI) 的新 Facility for Antiproton and Ion Research(反质子与离子加 速器)以及 Diamond Light Source(英国资助的规模较大的科研设施，建设工作将耗时30多年)。工业应用包括用于核工业的 a、β 和中子探测。即将推出的是用于医疗放射量测定、油井勘探数据记录、紫外线应用(例如半导体制造中的光刻和清洗)的探测器开发项目。

金刚石在医疗器械领域的应用

金刚石在医疗器械领域中有着广泛的用途，它的独特性质使得其成为呵护生命的关键材料。以下是金刚石在医疗器械领域的一些重要应用：

医用刀片和切割工具：金刚石的无敌硬度和高精确性使其成为医用刀片和切割工具的理想材料。在外科手术中，精确而安全的切割是至关重要的。金刚石刀片能够提供卓越的切割效果，确保手术的精准性和安全性。

医用针头和手术器械：金刚石的尖锐度和耐磨性使其成为医用针头和手术器械的理想材料。医用针头和手术器械通常需要具有高度的耐用性，以确保在手术过程中的稳定性和可靠性。

医用钻头和磨削工具：金刚石在牙科和骨科手术中常用于制造医用钻头和磨削工具。由于其高硬度和高精确性，金刚石工具可以实现快速而准确的手术操作，减少手术时间和患者的痛苦。

医用显微镜窗口：金刚石的高光学透明性使其成为医用显微镜窗口的理想材料。在高分辨率显微镜和激光显微手术中，金刚石窗口可以提供清晰的视野和高质量的图像。

医用传感器：金刚石中的氮空位中心具有高度稳定的量子特性，因此可以用于制造高灵敏度和高精度的医用传感器。这些传感器在医学诊断和监测中发挥着重要作用，帮助医生更准确地了解患者的生理状态。

金刚石在医疗器械领域中具有多样化的应用。其无与伦比的硬度、精确性、耐磨性和光学透明性，使其成为医用刀片、手术器械、显微镜窗口、传感器等医疗器械的优秀选择。这些应用帮助医生提供更安全、更精确和更有效的医疗服务，呵护生命，改善患者的生活质量。随着技术的不断进步，金刚石在医疗领域的应用前景将继续拓展和创新。

金刚线向更多领域拓展延伸

金刚线涉及的应用领域有蓝宝石、光伏、磁性材料、半导体等太阳能硅片的加工。金刚线产品在更多的领域进行拓展延伸，比如石材、玉石、金属材料等。自采用金刚线切割技术以来，围绕“细线化”这个目标方向就一直没停止过，即使在硅料价格比较低的时候也是如此。当然，在硅料价格高企的时候，细线化的价值也就更大。金刚线产品在碳化硅半导体加工方面已有验证和应用。

由于下游光伏产业的集中度越来越高，个体规模也越来越大，其对金刚线企业的关注主要集在供应规模、切割表现、品质的持续稳定以及技术升级的能力这几个方面。金刚线又属于关键性耗材，所以说未来一段时期内，品质占优的金刚线产品的供求仍然会出现偏紧的状态。

除了首饰用途之外，金刚石还因其坚硬以及各种物理、化学、光学性能优异等特点，被制成切割、研磨工具应用在工业领域。金刚石还在半导体、高端电子、汽车自动驾驶、量子计算机、高端激光等方面大有作为，目前最大瓶颈在于生产成本太高。CVD是降低金刚石生产成本的技术，期待在工业应用领域有更多应用。

文章来源： Carbontech，芯智讯，阿鱼说故事，