新材料作為二十一世紀三大支柱產業之一，在整個人類歷史進程中都發揮著舉足輕重的作用。人類的每一次科技革命，也是材料產業的革命。金剛石，這個世界上最堅硬的物質，因其諸多優異的物理化學性質，成為人們最為關注的材料之一，可以毫不夸張的說，金剛石的出現，推動了現代化工業的發展。然而對金剛石應用的開發，到目前也僅僅是冰山一角。究其原因，莫過于其高昂的價格。

隨著人們對大單晶金剛石需求的不斷增長，各大高校及科研機構、企業加快研究步伐，金剛石合成技術也日趨成熟，合成金剛石的質量得以進一步提高，成本不斷下降。為金剛石將來更尖端的科技應用創造可能。今天我們就來盤點一下金剛石的兩個高端應用。

1. 半導體產業應用

1.1 芯片襯底

自20世紀50年代開始，以硅(Si)、鍺(Ge)為主的第一代半導體材料使用至今已有70余年，時至今日，仍有95%以上的半導體器件和99%以上的集成電路由硅材料制作，但因硅自身的物理性質缺陷，限制了其在高頻功率器件上的應用。而以砷化鎵(GaAs)、磷化銦(InP)為代表的第二代半導體材料雖然在二十世紀末風靡一時，但因其價格昂貴，且具有毒性，使得其應用受到很大的局限性?，F如今，以金剛石、碳化硅（SiC）、氮化鎵（GaN）等為主的具有超寬帶隙特性的第三代半導體材料已成為國際競爭的熱點。三代半導體材料性質對比如下：

由以上數據可以看出，作為第三代半導體材料中的佼佼者，金剛石材料具備高熱導率、高擊穿電場、高載流子遷移率、高載流子飽和速率和低介電常數等優異的特性，滿足現代電子技術對高溫、高壓、高功率、高頻率以及抗輻射等惡劣條件的要求，已是業界公認的“終極半導體材料”。

圖1 量子計算機芯片

以CVD方法制得的大單晶金剛石作為襯底材料可應用于集成電路芯片、超高頻大功率電子器件、生物傳感器、航空航天及其他極端環境電子元器件等場景，將大幅度提升數據傳輸速率與轉化效率，降低功耗，未來在國防、航空航天、能源勘探、量子計算機、光存儲、5G通訊、太陽能、汽車制造、半導體照明、智能電網等眾多領域發揮戰略性作用。

1.2 芯片散熱材料—熱沉

隨著科學的發展和技術裝備的提升，激光二極管列陣等大功率高密度器件已被越來越多地應用于集成電路之中，但受限于普通材料的散熱性能，導致溫度不斷升高，大大降低了其性能，同時縮短了使用壽命。

圖2 MPCVD金剛石熱沉片

單晶金剛石材料具有目前所知的天然物質中最高的熱導率，且工作溫度最高可達600℃以上，并具備化學性質穩定、電器絕緣性好、介電常數小、熱膨脹系數與器件材料的膨脹系數基本相同、表面平滑性好等特性，是目前用作高功率密度的高端器件的散熱元件最理想的材料，可被應用于5G芯片、激光二極管陣列、高速計算機CPU芯片多維集成電路、軍用大功率雷達微波行波管導熱支撐桿、GaN on diamond復合片、衛星擴熱板、微波集成電路基片、集成電路封裝自動鍵合工具TAB等高技術領域。

2. 冷陰極場發射顯示器

隨著“大腦袋”電視、顯示器（即傳統陰極射線管顯示器，簡稱CRT）逐漸離開人們的視線，平板顯示器、電視迅速走進了千家萬戶，成為日常生活必不可少的工具。現在市場上主流平板顯示器主要有兩種：一是等離子顯示器（PDP）,依靠高能量的電子束轟擊屏幕產生圖像，其缺點是工作電壓大、能耗高且制造成本高；二是液晶顯示器（LCD），依靠液晶材料對光線的偏光作用產生圖像，其缺點是顯示速度慢、能耗高、視角范圍小。

圖3冷陰極場發射顯示器

由于單晶金剛石材料在光學、力學、熱學、電學等方面表現出的優異特性，采用單晶金剛石材料制作冷陰極場發射顯示器（FED）已成為各大屏幕生產企業研發的重點。FED是一種自發光型平板顯示器，在繼承其他顯示器優點的前提下，完美摒棄了其缺點。首先FED由數十萬個冷發射子組成，在亮度、灰度、色彩、分辨率和響應速度方面均表現優異；其次，FED顯示器核心部件的冷發射陰極到陽極的距離僅為100μm，完全符合現在超薄顯示器發展規律；另外FED采用冷陰極電子源,具有功耗低、自發光、工作環境溫度范圍寬等優點，工作電壓僅為1kV。隨著MPCVD生產金剛石材料的技術不斷成熟，FED統領顯示器市場必將指日可待。