金剛石作為一種多功能超極限材料，具有優異的電學、光學、熱學、力學、聲學、電化學性能，在眾多高新技術領域具有極佳的應用前景。尤其是化學氣相沉積(CVD)金剛石膜的出現，為金剛石在諸多高新技術領域的應用創造了可能性，因此在20世紀80年代早期引發了席卷全球的“金剛石熱”。

       北京科技大學的呂反修教授在本綜述中介紹了我國CVD金剛石研究的歷史、現狀和發展趨勢，尤其是產業化進程。1987年初我國“863計劃”正式啟動，CVD金剛石膜研究從一開始就得到“863計劃”和國家自然科學基金的持續資助，在“八五”和“九五”期間曾設立重大關鍵技術項目。盡管“十五”期間，CVD金剛石膜研究經歷了“最寒冷的冬天”，“863計劃”不再單列金剛石膜專題，國內CVD金剛石膜研究也并未停止，金剛石膜產業化的勢頭同樣繼續加強。終于在“十一五”期間，CVD金剛石膜產業在國內出現并初步站穩了腳跟。“十二五”期間，航空航天、電子等部門都相繼提出對金剛石膜的應用需求，CVD金剛石膜研究和應用繼續回暖，并逐步發展壯大。

       本文對我國CVD金剛石膜研究進行了全面深入的回顧，還詳細介紹了金剛石膜的機械（摩擦）、熱學、光學、電子和聲學應用現狀和發展前景。實驗室培育金剛石的成功是中國CVD金剛石薄膜研發和產業化中最重要的成就。

              內容概覽

       機械應用和實驗室培育金剛石是CVD金剛石在中國最成功的兩個應用領域。

       目前，CVD獨立式厚金剛石薄膜產品以中國為主。但是，產值仍然不是很大。這是因為市場受到應用（修整原木和切削工具毛坯）的特殊性的限制。另一個原因是目前的產品是原始類型——CVD金剛石原料。建議通過開發金剛石部件，即金剛石修整器和金剛石切割工具等，產量可以大大提高。還建議使用一些高價值的工具，例如鉆石手術刀和鉆石牙科工具。對于薄膜金剛石工具的應用，建議先推廣現有技術，同時將應用從金剛石涂層金屬管（和線）拉絲模具升級為密封部件和耐磨部件，以用于極端危險環境，例如高溫，高腐蝕性和侵蝕性， 高輻射等，特別是在重載和高速工作的情況下！金剛石在危險環境中的磨損應用領域最具優勢，潛在市場巨大且幾乎是無限的。薄膜金剛石工具應用的未來將非常光明。

 圖1. 左：金剛石薄膜涂層管拉絲模和由其拉制的銅管;

右圖：銅管拉圖使用金剛石薄膜涂層硬質合金模具工作。

       金剛石散熱器已成功用于北斗七星導航衛星。熱級金剛石薄膜材料現已在中國市場上市。但是，市場規模仍然不是很大。主要障礙是鉆石材料的高價格，這大大降低了性能與價格的比率，并使最終用戶在看貨會上退縮。然而，迫切需要在較便宜的金剛石散熱器上快速發展5G通信大功率基站電子、民用和軍用大功率電子和光電子。因此，材料供應商有必要降低價格，要么通過進一步改進金剛石薄膜沉積和加工技術，要么通過對熱級金剛石薄膜產品進行分級。對于最終用戶來說，明智的做法是為金剛石散熱器選擇正確的材質，以降低成本。然而，材料供應商和最終用戶之間的高效互通是絕對必要的。直流電弧等離子射流在熱級獨立式金剛石晶圓的批量生產中具有優勢。但是，它能夠生產不同質量等級的金剛石材料（從更便宜的工具級到昂貴的光學級金剛石晶圓）。直流電弧等離子射流的熱級金剛石材料的導熱系數與低端的工具等級（8-10 W/cm.K，淺棕色至淡黃色）和上端的光學等級（≥17 W/cm.K，淺黃色至無色）重疊。因此，正確選擇合適的熱級金剛石材料將是降低成本的有效途徑。強烈建議金剛石膜材料供應商積極與最終用戶建立密切的聯系。一言以蔽之，對金剛石散熱器的需求迫在眉睫，而且要求很高。如果能降低熱級金剛石材料的成本，CVD金剛石膜的熱應用前景將非常廣闊。

圖2. 左：由大功率直流電弧等離子射流制備的金剛石散熱器；

右：北斗七星導航衛星中誕生的太空相控陣天線。

       目前中國光學級金剛石薄膜的質量水平足以滿足光學應用的要求。關于金剛石薄膜窗口和整流罩的研究計劃正在進行中，并正在不斷取得進展。精密加工的技術問題，特別是金剛石薄膜光學元件的幾何公差，必須進一步改善。非常厚的金剛石薄膜（厚度高于2毫米，如拋光）的光學質量下降是不可避免的。然而，在大多數情況下，1-2mm的厚度足以使金剛石薄膜光學元件承受動態大氣壓或保持真空密封性。建議最終用戶在設計金剛石光學元件時適當降低安全系數，供應商可以通過該系數提供質量更高的光學金剛石元件。由于熱發射高度依賴于所用金剛石薄膜材料的質量（缺陷密度），這對于在致密大氣環境中進行高超音速飛行的人來說可能非常重要，因為大氣動態加熱，金剛石部件的熱發射可能是一個嚴重的問題。目前，光學金剛石薄膜產品已在中國市場商用。但是，市場規模較小。在不久的將來，CVD金剛石薄膜窗和整流罩的實際應用將得以實現，這可能會在相關應用領域發揮重要作用，但市場可能不是很大。

圖3.中國首張厚度為0.3毫米（拋光）的全透明獨立式金剛石薄膜。

       BBD（硼摻雜金剛石）薄膜電極已成功用于傳統方法難以處理的工業和民用廢水的電化學處理、抗冠狀病毒環境的消毒和滅菌、醫療應用的生物傳感器和探測器等的研發和原型設備。然而，到目前為止，中國還沒有主要的工業規模應用市場。

       金剛石探測器已經在中國的散裂中子源、中國原子能研究所(CIAE)的高亮度質子束回旋加速器以及俄羅斯杜布納核中心的IBR-2MW中子線中成功進行了測試。在不久的將來，它極有可能滿足外太空探測計劃、ITER(國際熱核聚變發電計劃)項目和中國高能粒子物理項目研發的需要。

       量子應用進展是顯而易見的。然而，制備“量子級”金剛石薄膜（或金剛石單晶）極其困難。它需要超純氣源、近零真空泄漏MWCVD金剛石沉積系統的實質性技術進步，以及優化的金剛石沉積技術。

       在高性能聲表面波（SAW）器件的研發中，SAW器件已不再是主流。金剛石薄膜揚聲器的市場非常小。

       實驗室培育鉆石（LGD）的極其成功的商業化是中國CVD金剛石薄膜研發中最重要的成就。令人驚訝的是，到今年年底，用于LGD增長的MWCVD反應堆估計可能會達到2500至3000套，這可能與印度的預測值兼容，印度是過去幾年世界上最大的CVD LGD制造商。然而，考慮到CVD LGD的年產量僅在一年半前的2020年幾乎被忽略，這真的是一個難以想象的巨大飛躍！因此，可以合理地猜測，明年CVD LGD的年產量很可能會超過印度。但是，必須指出的是，目前可用的信息在某種程度上是模棱兩可的，存在一些不確定性。特別是，有一個有爭議的觀點認為，中國將很快出現LGD (HPHT和CVD)冗余產能危機，其依據是目前大部分LGD在中國生產(60%)，而大部分LGD在美國銷售(80%)，中國的市場規模只有10%，而大部分大克拉LGD在印度拋光。進一步的論點是，中國的LGD生產能力一直在瘋狂擴張，每年翻一番，而國外和中國的零售市場變化不大。無論如何，這個論點是有道理的。實驗室培育鉆石的未來取決于中國市場，即中國客戶購買產品的意愿。

圖4. 10.57克拉實驗室制造無色CVD鉆石，F色，VVS2 凈度， 3EX 切割。

       中國在CVD金剛石膜在電子應用領域的研究進展明顯，但與國外相比仍有一定的差距。SOD器件已經用于實際應用。金剛石基氮化鎵器件將在不久的將來投入使用，這將非常有助于促進氮化鎵器件進一步應用于更高功率、更高頻率和更高溫度（或在高輻射環境中）領域。表面端接金剛石器件的研發將繼續進行。第三代寬帶隙半導體的研發需求迫切。然而，由于SiC技術更加先進，占據主流的是SiC，而不是金剛石。盡管如此，仍然需要金剛石作為下一代（終極）半導體，因為金剛石的電子特性完全超過了SiC。研制比其他半導體具有高功率密度和高頻率的大功率電子器件，具有重要的技術和經濟意義。在中國國內外，對終極鉆石半導體的密集研發已經開始。

       通信作者

       呂反修，北京科技大學材料科學與工程學院教授，1984年畢業于英國紐卡斯爾大學冶金及工程材料系，獲博士學位。第一、第二和第三屆國家“863計劃”新材料領域功能材料專家組辦公室主任。曾任中國熱處理學會副理事長、中國材料研究學會理事，Diamond and Related Material、《材料熱處理學報》等期刊編委。主要研究方向為大面積光學級金剛石自支撐膜制備、加工及其在軍事和民用光學領域的應用，CVD金剛石膜涂層硬質合金工具，納米金剛石膜及其高技術應用等。