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本期，極智課堂邀請到濟南金剛石科技有限公司董事長、山東大學教授王篤福帶來了題為“金剛石晶體材料生長及應用”的精彩主題分享。
一、人造金剛石概況
金剛石：碳原子以SP3雜化軌道與另外4個碳原子形成共價鍵，構成正四面體。
1．發展歷史
1954年美國通用電氣成功在高溫、高壓條件下合成出人造金剛石，1970年利用溫差法生長出克拉級寶石金剛石；
1963年中國首次用靜壓法合成出人造金剛石；1965年鉸鏈式六面頂壓機安裝成功；
1985年日本住友電氣公司實現克拉級優質金剛石單晶的生產；
1996年戴比爾斯用1000小時合成出25CT優質Ib型金剛石單晶；
1996年美國阿波羅金剛石創始人提出CVD金剛石，2003年推出首飾級CVD金剛石產品；
1998年美國卡內基地質物理實驗室開始CVD單晶金剛石合成；2002年元素六公司開始用CVD法生長單晶金剛石；
2014年俄羅斯NDT公司用HPHT法生產出34CT的IIa型金剛石單晶；
2．國內金剛石產業現狀
2015年濟南金剛石正式產業化生產大尺寸金剛石，單重最大10CT。
2015年中國的金剛石產量超過100億克拉，占世界總產量的90%以上，但主要是小于1mm的磨料級金剛石，占據產業的最低端市場；
以華晶、黃河、中南為代表的磨料企業，可以生產1.2-1.8mm無色單晶和4*4mmIb型片狀單晶；
目前濟南金剛石、中南鉆石可以生產10CT以上金剛石單晶體，切片尺寸可以達到10*10mm，為半導體基礎應用研究提供基礎條件。
近幾年國內CVD單晶生長有了快速發展和進步，上海征世、杭州超然、寧波晶鉆等公司生長的金剛石單晶體尺寸可以達到10mm*10mm以上。
3．半導體應用及研究進展
金剛石單晶材料作為“終極半導體”材料，在高頻、高功率半導體器件領域有著巨大應用潛力，目前主要受制于金剛石單晶尺寸太小。
2013年8月日本國家先進工業科技研究所（AIST）和國立材料研究所（NIMS）的科學家們已經成功研制出了耐高壓（10Kv）真空電力開關并順利進行了試驗；該技術利用了金剛石半導體材料，目前尚屬世界首例，器件體積可縮小到原來的1/10。
2014年5月美國雷神公司使用金剛石替代碳化硅（SiC）作為GaN器件的襯底研制出金剛石基GaN高電子遷移率晶體管（HEMT），證明金剛石基GaN晶體管功率密度比SiC基GaN器件增加3倍，克服了阻礙氮化鎵器件一進步發展的主要障礙。
2014年日本產業技術綜合研究所宣布研制出250度高溫下5A工作SBD，反向截止電壓大于10Kv。
2016年下半年俄羅斯研發出第一臺以金剛石為存儲器的量子計算機。
2020年美國佐治亞理工學院與日本明星大學和早稻田大學聯合開發出“表面激活粘合”（surface-activatedbonding）技術，能夠在室溫環境下將氮化鎵（GaN）等寬禁帶材料與金剛石等高導熱材料集成，提升器件散熱能力，這有可能加快推進金剛石在半導體應用中的產業化。
4．工具類應用--大尺寸、高硬度
金剛石作為已知最硬的材料，理論上可以加工切削任何材料，制成工具主要用于非鐵基合金、石材和陶瓷材料的加工，在車刀、石油鉆頭、切割工具等領域應用較廣泛。全球金剛石工具市場規模超過200億美元，且應用領域保持20%以上的年增長率。
5．光學類應用--大尺寸、頂級顏色
獨特的光學性能（從紫外到微波頻段廣域透光）和高的熱導率以及低的熱膨脹系數使其成為極好的光學窗口材料，在導彈頭罩、雷達窗口等方面具有極大的優勢；也可作為高能物理研究的探測材料以及高功率器件的熱沉和窗口材料。
6．功能性零件應用--大尺寸、高質量
金剛石機械零件：將金剛石直接加工成工業機械零件或生長CVD薄膜提高耐磨能力，延長零件壽命。
人工關節：在人工關節表面增加金剛石薄膜，改善部件性能和壽命。
二、單晶材料生長
天然金剛石稀缺，成本昂貴，滿足不了工業化要求。人工合成大尺寸金剛石主要有高溫高壓法（HPHT）和化學氣象沉積法（CVD）。
1.HPHT法原理
HPHT法是人工模擬天然鉆石生長條件，在6.7GPa和1500度高溫下輔以催化劑等實現石墨相到金剛石相的轉變，控溫控壓和形成溫度梯度是合成的關鍵。
2. HPHT法產品
3. HPHT法關鍵技術
關鍵技術1：維持晶體生長恒定的壓力曲線
關鍵技術2：合理的溫度梯度保證
關鍵技術3：溫度場的設計與變化驗證
關鍵技術4：質量驗證-摻雜與濃度
關鍵技術5：晶體定向、切割與拋光
4. MPCVD法原理
5. MPCVD法關鍵技術
關鍵技術1： MPCVD生長腔室結構仿真
關鍵技術2：高質量金剛石生長工藝優化
關鍵技術3：自發成核、異常形核等抑制
關鍵技術4：大尺寸單晶拼接生長技術
關鍵技術5：大尺寸單晶剝離技術
關鍵技術6： P型摻雜及記憶效應
三、濟南金剛石科技有限公司研究進展
1．公司概況
濟南金剛石科技有限公司成立于2015年6月，是專門從事大顆粒金剛石生產及應用研究的高技術企業；
公司擁有生產廠房建筑面積15,000平方米，擁有年產大顆粒金剛石8萬克拉（CT），是世界首家能夠利用國際先進的六面頂油壓機生產Ib、IIa、IIb型大顆粒金剛石單晶的企業，技術達到國際領先水平，打破國外壟斷和禁運。
2．公司產品
目前公司生產Ib型大顆粒金剛石單重達10CT、粒徑10mm；IIa、IIb型大顆粒金剛石單重達6CT，粒徑8mm，可提供毛坯、鉆石、晶片等多種產品。
公司提供部分科研用CVD單晶產品。
Ib型金剛石切片達到10mm*10mm以上。
CVD金剛石單晶片：利用馬賽克拼接法實現20mm以上自支撐金剛石單晶制備。
3．金剛石加工與表征
攻克低損耗激光切割和精細拋光技術，實現表面粗糙度5nm以下金剛石單晶襯底制備。
聯合俄羅斯國家科學院基礎物理所對制備金剛石進行變溫熱導率測試，結果表明樣品室溫熱導率可達1870-1913W/m·K，完全可以替代現在的常規半導體領域使用的導熱材料，并有進一步提升空間。
4．器件研究
利用氫終端的日盲紫外探測器研究。
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