中國(guó)粉體網(wǎng)訊  金剛石，素有“硬度之王”的美譽(yù)，在材料科學(xué)領(lǐng)域占據(jù)著舉足輕重的地位。依據(jù)晶體結(jié)構(gòu)差異，金剛石可細(xì)分為單晶金剛石與多晶金剛石，這兩類材料雖具備諸多共性，但微觀結(jié)構(gòu)的不同致使它們?cè)谛阅鼙憩F(xiàn)、制備手段以及應(yīng)用范疇等層面呈現(xiàn)出顯著區(qū)別。

微觀結(jié)構(gòu)差異

單晶金剛石擁有高度規(guī)整、近乎完美的晶體結(jié)構(gòu)。從原子尺度來看，碳原子呈嚴(yán)密有序的三維周期性排列，晶格完整連貫。整個(gè)晶體由單一晶核萌芽，遵循特定結(jié)晶學(xué)方向穩(wěn)步生長(zhǎng)，全程不受晶界干擾。這使得電子云分布均勻?qū)ΨQ，化學(xué)鍵能恒定且強(qiáng)大，維系著物理性質(zhì)在宏觀層面的極致均一性。

圖左為單晶金剛石，右為多晶金剛石

相較之下，多晶金剛石恰似一幅由無數(shù)微小“晶體拼圖”拼合而成的“微馬賽克”畫卷。它由眾多細(xì)小的納米級(jí)小顆粒聚集而成，這些小顆粒的晶體結(jié)構(gòu)與單晶金剛石類似，但它們的排列無序，位向不一致，顆粒間通過不飽和鍵結(jié)合，存在明顯的晶界，晶體結(jié)構(gòu)不均勻，缺陷相對(duì)較多。

物理性能差異

硬度與耐磨性

單晶金剛石是自然界中硬度最高的物質(zhì)之一，摩氏硬度為10，具有極高的耐磨性，刀刃可達(dá)到原子級(jí)的平直度及鋒利度，切削時(shí)能將刀刃的完美狀態(tài)復(fù)制在被加工物上，加工出光潔度極高的鏡面，適用于超薄切削和超精密加工。

多晶金剛石：硬度稍低于單晶金剛石，但仍具有優(yōu)異的耐磨性能，且其獨(dú)特的韌性和自銳性使其在研磨和拋光過程中，粗顆粒會(huì)破碎成更小的顆粒，不斷露出新的切削刃，既保證了樣品表面的磨拋質(zhì)量，又提高了研磨切削效率，更適合研磨表面由不同硬度材料構(gòu)成的工件。

熱導(dǎo)率與熱穩(wěn)定性

單晶金剛石：室溫下熱導(dǎo)率高達(dá)2000 W/(m·K)以上，熱導(dǎo)率基本來自碳原子振動(dòng)即聲子的傳播，其高度有序的晶格結(jié)構(gòu)幾乎不存在晶界散射的影響，能在高溫高壓環(huán)境下保持穩(wěn)定的物理和化學(xué)性質(zhì)，可應(yīng)用于大功率半導(dǎo)體散熱、激光設(shè)備溫控等領(lǐng)域。

多晶金剛石：熱導(dǎo)率雖因晶界散射有所降低，但在特定溫度區(qū)間內(nèi)，晶界對(duì)聲子散射路徑的干擾可轉(zhuǎn)化為優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)熱導(dǎo)率的調(diào)控，可作為半導(dǎo)體功率器件散熱的熱沉應(yīng)用，其沉淀技術(shù)水平相對(duì)容易實(shí)現(xiàn)，制備成本也更具優(yōu)勢(shì)。

光學(xué)性能

單晶金剛石：光學(xué)折射率高，吸收系數(shù)極低，光線穿透時(shí)損耗極小，打磨成型后可用于紅外光學(xué)窗口、高端顯微鏡物鏡等，CVD法制備的高質(zhì)量單晶金剛石可做到完全無色透明，從紫外到紅外以及微波范圍都有優(yōu)良的透過性，理論透過率高達(dá)71.6%，還可用作性能優(yōu)異的晶體拉曼材料。

多晶金剛石：因晶界散射，光學(xué)均勻性受限，但經(jīng)特殊工藝優(yōu)化晶粒尺寸、降低晶界影響后，可在部分對(duì)成本敏感、光學(xué)精度要求相對(duì)溫和的照明、顯示器件領(lǐng)域得到應(yīng)用。

制備工藝差異

單晶金剛石：

高溫高壓法（HTHP）：在高溫（1200-2000℃）、高壓（5-6 GPa）及金屬觸媒的作用下，使石墨原料中的碳原子重新排列形成單晶金剛石，該方法可產(chǎn)出大顆粒寶石級(jí)單晶，但設(shè)備造價(jià)高，操作復(fù)雜，且晶體尺寸和生長(zhǎng)速率受工藝限制。

化學(xué)氣相沉積法（CVD）：在低壓高溫的腔室中，利用等離子體、熱絲等激活含碳?xì)怏w，促使碳原子逐層沉積在襯底上生長(zhǎng)出單晶金剛石，這種方法制備的晶體純度高，可精準(zhǔn)調(diào)控生長(zhǎng)參數(shù)，適合半導(dǎo)體級(jí)單晶的批量生產(chǎn)，但生長(zhǎng)速度相對(duì)較慢。

多晶金剛石：

直接轉(zhuǎn)化法：將石墨粉與金屬粘結(jié)劑混合，經(jīng)短時(shí)高溫高壓燒結(jié)，使石墨快速轉(zhuǎn)化為多晶金剛石，該工藝簡(jiǎn)單、成本低，可快速制造塊狀、異形多晶產(chǎn)品，常用于工業(yè)刀具的生產(chǎn)。

CVD法：通過調(diào)整沉積氣壓、溫度、氣體流量等參數(shù)，促使大量晶核生成并生長(zhǎng)，從而得到多晶金剛石，可靈活控制晶粒尺寸和晶界特性，用于刀具涂層、微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）精細(xì)部件等領(lǐng)域。

應(yīng)用領(lǐng)域多元化

單晶金剛石：

（一）半導(dǎo)體領(lǐng)域：作為理想的襯底材料，其寬禁帶、高載流子遷移率等特性有助于晶體管、功率模塊突破高頻、高壓運(yùn)行瓶頸，推動(dòng)5G基站、電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)芯片等的革新。

（二）光學(xué)儀器制造：用于制造高精度的光學(xué)窗口、透鏡等，如紅外探測(cè)器、太空望遠(yuǎn)鏡等，可提高設(shè)備的光線捕捉和解析能力。

（三）超精密加工：如制造切削工具，可實(shí)現(xiàn)對(duì)材料的高精度、高效率加工，在加工有色金屬時(shí)，表面粗糙度可達(dá)Rz0.1-Rz0.05μm，被加工工件的形狀精度控制在50nm以下。

多晶金剛石：

（一）研磨拋光：作為精密磨料，廣泛應(yīng)用于藍(lán)寶石晶片、碳化硅晶片、功能陶瓷等硬脆材料的精磨和拋光，能在保證加工質(zhì)量的同時(shí)提高效率。

（二）電子封裝：多晶金剛石薄膜可作為散熱基板，解決芯片發(fā)熱問題，為電子產(chǎn)品的輕薄化和性能提升提供支持。

（三）半導(dǎo)體散熱：多晶金剛石膜可作為半導(dǎo)體功率器件散熱的熱沉，提高器件的散熱性能，保證其穩(wěn)定運(yùn)行。

結(jié)語

現(xiàn)階段，在單晶金剛石的研究方向上，科研團(tuán)隊(duì)著重攻克兩大難題，一是降低生產(chǎn)成本，實(shí)現(xiàn)大規(guī)模量產(chǎn)，二是探索大尺寸單晶金剛石的生長(zhǎng)方法；與此同時(shí)，還積極開展新型摻雜技術(shù)、缺陷調(diào)控技術(shù)的探索，力求挖掘更多潛在性能。對(duì)于多晶金剛石而言，研發(fā)工作聚焦于對(duì)晶界結(jié)構(gòu)進(jìn)行智能化設(shè)計(jì)，通過精準(zhǔn)調(diào)控，使多晶金剛石在既定方向上優(yōu)化性能，滿足特定工業(yè)需求。隨著科技不斷進(jìn)步，單晶金剛石與多晶金剛石必將持續(xù)發(fā)揮關(guān)鍵作用，助力更多未知技術(shù)創(chuàng)新得以實(shí)現(xiàn)。

參考來源：

鄭宇亭：金剛石表面狀態(tài)控制及應(yīng)用基礎(chǔ)研究

方嘯虎等：培育大單晶金剛石的現(xiàn)狀與未來

許坤等：MPCVD法生長(zhǎng)曲面多晶金剛石薄膜研究

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（中國(guó)粉體網(wǎng)編輯整理/留白）

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