作為金剛石應用，涉及技術面很廣，難度很大，需要各個領域相互合作研究才有可能在較短時間內實現。今后不斷需要開發和完善CVD金剛石生長技術，開拓CVD金剛石膜在聲學，光學，電學應用，它成為高科技發展的二十一世紀新材料。CVD的應用既可用于工程材料，也可用作功能材料，以下僅以其功能應用方面做點介紹。

       何為功能材料？功能材料是指哪些用于工業和技術中的有關物理和化學功能，如光、電、磁、聲、熱等特性的各種材料，包括電功能材料、磁功能材料、光功能材料、超導材料、生物醫學材料、功能膜等。

       何謂功能膜？它都具有哪些特點？功能膜是指具有光、磁、電過濾，吸附等物理性能和催化，反應等化學性能的薄膜材料。       薄膜材料的特點:薄膜材料是典型的二維材料，即在兩個尺度上較大，而在第三個尺度上很小。一般常用的三維塊體材料相比，在性能和結構上具有很多特點。最大的特點是功能膜的某些性能可以在制備時通過特殊的薄膜制備方法實現。這是薄膜功能材料成為人們關注和研究的熱點材料的原因。

       作二維材料，薄膜材料最主要的特點是所謂尺寸特點，利用這個特點可以實現把各種元器件微型化、集成化。薄膜材料很多用途都基于這一點，最典型的是用于集成電路和提高計算機存儲元件的存儲密度。

       由于尺寸小，薄膜材料中表面和界面所占的相對比例較大，表面所表現的有關性質極為突出，存在一系列與表面界面有關的物理效應:

       (1)光干涉效應引起的選擇性透射和反射；

       (2)電子與表面碰撞發生的非彈性散射，使導電率，霍爾系數，電流磁場效應等發生變；

       (3)因薄膜厚度比電子的平均自由程小得多，且與電子的德羅布意波長相近時，在膜的兩個表面之間往返運動的電子就會發生干涉，與表面垂直運動的相關能量將取分立值，由此會對電子輸運產生影響；

       (4)在表面，原子周期性中斷，產生的表面能級，表面態數目與表面皮原子數有同一量級，對于半導體等載流子少的物質將產生極大影響；

       (5)表面磁性原子的鄰原子數減少，引起表面原子磁矩增大；

       (6)薄膜材料各向異性等等。

       由于薄膜材料性能受制備過程的影響，在制備過程中多數處非平衡狀態，因此可以在很大范圍內改變薄膜材料的成分、結構，不受平衡狀態的限制，所以人們可以制備出很多塊體難以實現的材料，得到新的性能，這是薄膜材料的重要特點，也是薄膜材料引起人關注的重要原因。無論采用化學法還是物理法都可以得到設計的薄膜。

       金剛石膜都有哪些功能的應用？

       眾所周知，金剛石薄膜具有包括力學、光學、電學、聲學和化學在內的許許多多其他材料無法比擬的優異性能。正是這些優異性能吸引科學技術工作者，對其在現代科學和現代工業中的應用進行探索的極大興趣。工程技術和功能技術兩大領域的應用。以下將收集到的與功能應用的部分事例列出，以期得到廣大讀者投入更多的關注，以推動CVD金剛石產業化在我國的進程。

       例一：金剛石是一種性能優異的紅外光學材料，以紫外到遠紅外波段均有良好的透過性，但在3.0-5.0um波段顯示出吸收性。隨著CVD技術的不斷發展，所制的高質量金剛石薄膜的透過率和導熱率與最好的天然金剛石(IIa型)非常接近，而且能夠實大面和曲面化。但大多數金剛石薄膜研究集中在8.0-14um等重要波段的紅外光學性能。在多種紅外傳感器共用一個窗口時，要求光學透射波段要寬，其中包括3.0-5.0um，8.0-14.0um等重要波段。因此，金剛石薄膜必須通過與其他紅外材料的組合膜系以達到雙波段的紅外增透效果。盡管在材料硅上制備類金剛石薄膜的紅外透過波段寬，紅外透射率接近90%。但較金剛石薄膜的機械力學性能低，在惡劣環境條件下的適應性較差。

       例二：業界對工作理想光譜區域和功率范圍的緊湊型固態金剛石激光器的追求，澳大利亞的一個研究小組報道了一種光泵浦外腔CVD金剛石拉曼激光器。Bichard Mildren表示：“長期以來，人們一直認為金剛石是非常的拉曼材料，但是直到過去的幾年，由于CVD生長方法能夠以合理的價格重復制造這種材料，才使我們可以實際進行這方面的研究。”金剛石的拉曼增益系數，比金屬鎢酸鹽，硝酸鋇以及硅等其他可代替的拉曼材料要高。在所有的材料中，金剛石具有最大的拉曼頻移以及最寬的透光范圍，大約從紫外的225nm到遠紅外的100nm。而且在如此寬的范圍內，在許多光譜區域是目前的激光技術無法很好做到的，如醫學使用的黃光，這也是目前拉曼激光器研究的推動力之一。此外，金剛石的熱導率比其他大多數激光材料約高出兩個數量級，這為高功率激光器應用提供了巨大潛力。

       例三：為了建立文件，視頻信息以及圖表等檔案，越來越迫切需要一種密集的大容量的信息儲存手段。目前用的激光盤如DVD其信息容量只有4.7GB，而稱為Blu-Ray的第二代光盤的信息儲存量可達到25GB，但仍不能滿足電腦發展的需求。要增加光盤的信息容量就必須在降低激光波長的同時提高透鏡的數值孔徑(NA)。在所有可透過紫外線的材料中，金剛石的折射率最大。但是高溫高壓合成的金剛石和普通的CVD金剛石都不適用于制作可見光和紫外線的光學器件，原因是前者含有雜質氮，后者為多晶質。元素六公司研制出一種單晶CVD金剛石供制造近紅外線(波長0.75-2.5um)和可見光用的器件。用單晶CVD金剛石制作的高數值孔徑透光鏡用于近場光信息儲存，可使光盤的信息量大大提高，有可能提高到150GB以上。據稱，理論信息容量可高達550GB。

       例四：導彈紅外視窗目前比較常用的紅外窗口材料有ZnS和ZnSe。這兩種材料雖然有很好的紅外透過能力，但容易受損傷。在軍事用途上，對于紅外窗口的要求非常嚴格。這些設備經常工作在非常惡劣的條件下。例如，用于導彈的紅外窗口在導彈發射后，不但運行于高速狀態，同時還要經風沙雨雪的考驗。金剛膜是一種優質的表面材料，金剛石具有對紅外增透性，同時金剛石膜又可作為紅外窗口的一種良好的減反射膜材料。此外，金剛石的高導熱，耐磨等物理特性也可以很好的保護紅外窗口免受外界沖擊。因此在紅外窗口表面鍍金剛石膜，完全解決了軍工航天領域對紅外窗口的應用各種問題。

       例五：半導體器件。近年來采用等離子體化學沉積法合成出單晶質金剛石即半導體級CVD金剛石，具有異常高的絕緣性和極優異的載流子遷移率等綜合性能。所以，在高電壓和高頻率的應用方面特別引人注意。在現代航空航天和汽車工業以及配電和輸電系統均有潛在市場需求。

       半導體CVD金剛石的能帶隙，絕緣(耐壓)強度，載流子遷移率，導熱率等均遠遠超過其他半導體材料，詳見表。

       目前，具有最長使用壽命的電氣設備的一般絕緣溫度限是220℃，未來的絕緣材料的溫度限至少應達到 400℃。采用已有的半導體技術很難做到減小動力電子變換器的質量和體積并將它緊湊地與引擎合并為一體。減小動力電子設備中散熱和冷卻元件的質量和體積并使它在高溫下工作，關鍵是耐高溫的問題。寬能帶隙半導體如CVD金剛石具有能夠比目前使用的硅功率器件達到的工作溫度高得多的條件下工作。用CVD這種寬能帶隙材料制造的固體電路器件具有不同于硅器件的優越特性，有可能改善現有電氣設計和電路布局，從而影響宇航工業未來動力電子設備的結構。

       例六：CVD金剛石膜散熱性

       電子設備處于微型化的同時其功率卻在不斷增長，由此所產生的散熱問題成為微電子封裝技術的關鍵問題。面對傳統封裝材料的各種限制，發展起來越來越多的新型散熱材料，它們具有低熱膨脹系數，超高導熱率，以及很輕的質量。CVD金剛石膜作為上述材料的代表，其熱導率可達到2000W/(m.K)的水平，同時還具有優異的力學，光學，電學，聲學和化學性質，與天然金剛石相比，結構一致，性能基本無差異，且成本低廉，使其在高功率光電器件散熱的優勢明顯優于其他材料。目前CVD膜在國外已經有熱管方面的應用例子，主要解決高功率大熱流密度元件導致系統的散熱問題，包括高功率激光二極管，二維多芯片組裝(MCM)以及固態微波功率器件的散熱應用

       例七：微波技術中的應用

       眾所周知，微波技術廣泛應用于測量、雷達、遙控、電視、射電天文學、微波波譜學、微波接力通訊、粒子加速器等領域。值得注意的是，金剛石微波透射窗，是目前正在進行核聚變試驗的關鍵部件。元素六公與世界上主要的核聚變研究機構合作研制的金剛石微波透射窗可應付超過1MV的微波功率，其能力比任何其他材料透射窗大1倍以上。由于CVD金剛石對微波能的吸收率低，但熱導率高，而且介電常數小，因而在微波應用中是至關重要的。

       目前，DMD和INEX合作正在研究采用元素六公司生產的單晶CVD制造金屬半導體場效應晶體管的可能性。金屬半導體場效應晶體管一直被認為是用CVD金剛石制造的最有發展前景的器件之一。因為金剛石與傳統的半導體相比，具有更高溫度和更高擊穿壓力下工作能力。

       金剛石除了具有極高的硬度，熱導率，斷裂強度和很好的化學惰性之外，它的高介電強度以及很好的空穴電子遷移率和寬能帶隙引起了廣泛的注意。因為與電子線路中應用的具有競爭力的材料如硅和砷化鎵相比，單晶CVD金剛石的內在固有性質顯然更為優越，在高科技的應用中有強勁的需求。DMD和設計與制造多種微波器件及電子系統的一流企業Filtronie聯合，在原料，半導體器件以及電路設計互補的科技力量研究新型的金剛石器件以期改進微波功率電子設備，有可能引起微波功率電子設備的大變革。

       例八：新型固態激光器將金剛石用作固態激光器材料為設計小而緊湊的激光器帶來了新的機遇，這些激光器將具有更強的功率承載能力，并在當前無法獲得的波長下進行，因而會開辟新的應用領域。金剛石擁有獨特的光學和熱學的綜合特性，因此非常適合于這些應用，通過元素六生產的最新單晶CVD金剛石材料可以利這些特性。例如，拉曼激器已經利用硅等材料被開發出來，而且正被應用于電信領域，而利用金剛石則可以將其性能提升至新的功率水平和更多的波長。

       由于熱量的問題，目前的幾代連續波固態拉曼激光器被局限于區區幾瓦功率。金剛石具有很強的導熱性和低的熱膨脹系數，因此擁有更大的功率承載能力。Kemp博士指出，“激光工程中最不受關注但卻最普遍的問題是如何處理熱能，尤其是當你希望在小封裝中實現高性能的時候。在高功率拉曼激光器中這一問題尤為特出，因此能夠成為很好的拉曼轉換器的晶體通常導熱性很差，于是金剛石便有了它的用武之地。金剛石的導熱性比常用的拉曼旋光晶體高出兩到三個數量級，它的應用是一種出色的拉曼介質，我們能夠實現更高的輸出功率”。此外，與目前使用的拉曼旋光晶體相比，金剛石改變波長的能力更強一些，這可能會增加它的應用潛力。ChirsWort說，與傳統的拉曼介質相比，金剛石擁有更高的拉曼增益系數和更大的拉曼位移。

       例九：高溫高頻半導體材料應用

       CVD金剛石是一種性能優異的高溫，寬帶隙半導體材料，其電子和空穴載流子遷移速率極高。CVD金剛石半導體其工作最高溫度達到600℃以上，這是金剛石材料被定格的終極應用。CVD代替目前最廣泛應用的磧鍺，硅和砷化鎵半導體材料，將成為半導體材料和技術發展的里程碑。因此，材料科學家預測，CVD半導體器件的問世是電子技術的一場革命。目前金剛石二極管，場效應二極管以及在惡劣環境下使用的多種光敏-壓敏-熱敏半導體器件已研制成功，并開始應用和進入市場。

       例十：CVD金剛石比傳統散熱材料好在哪？

       作為鉆石的直屬親系，具有碳單質特性的金剛石本事可不小，包括已知的最高導熱率，剛度和硬度，同時在較大波長范圍內具有光學傳輸特性，低熱膨脹系數和低密度屬性。這些性使金剛石成為能夠顯著降低熱阻的熱管理應用材料。

       要合成熱管理所需金剛石，第一步是選擇最確當的沉積技術。微波輔助CVD能夠更好的控制晶粒大小和晶粒界面，從而生成符合特定熱導率級別所需高品質高再現性多晶金剛石。目前，CVD已實現商業化，有1000-2000W/(m.k)不同等級熱導率可供選擇。CVD金剛石還具有完全各向同性特征，強化各方向上的熱量擴散。

       借助近期技術發展，CVD金剛石已實現量產，且成本迅速降低。未經金屬化處理的CVD金剛石散熱器批量生產成本為1美元/mm3，價格主要取決于熱導率等級，對于0.25-0.40mm之間的常見厚膜和橫向尺寸等于晶片大小的應用，射頻器件金剛石散熱器尺寸通常小于5mm3。因此，只需芯片層額外附加幾美元的增量成本，則可大幅降低系統成本。例如，若能實現系統在更高溫度下運行，則冷卻系統的初始成本和之后的持續運行成本均可降低。采用適當的芯片粘貼方法，金剛石散熱器可為半導體封裝提供可靠的熱管理解決方案。

       最后:愿望潛力

       值得注意的是，單晶CVD金剛石制作的超高強度砧座可用于新材料合成與基礎科學研究新一代高壓試驗裝置。元素六公司作為研究CVD金剛石的領先企業，正在積極開發利用這種材料的尖端性能，這可能對科學技術的發展產生巨大而深遠的影響。

       用CVD金剛石這種寬能帶隙材料制造的固體電路器件，具有不同于硅器件的優越特性，有可能改善現有電氣設計與電路布局，從而影響宇航工業未來電子設備的結構。

       如果量子級超高純度單晶質CVD金剛石，在量子計算機的應用獲得成功，將極大提高計算機的運轉速度，快速搜索查找浩如煙海的數據庫并建立復雜的計算模型，就有可能迅速破譯極其復雜的密碼。目前，各國軍事機構均不遺余力支持量子計算機的研發，可以說，這種超純度各向同性量子單晶質CVD金剛石的研制成功，標志著CVD技術合成金剛石發展的一個里程碑。ADT公司成功研制的UNCTHorigon，是迄今世界上最光滑的UNCD薄膜，標志著CVD金剛石技術水平一個劃時代的躍進，使金剛石薄膜的表面光潔度達到電子級硅晶片水平，開創了金剛石薄膜在電子器件和生物醫學器件上多樣子應用的新時代。

鄭州磨料磨具磨削研究所 王光祖

常州華中集團有限公司 王蕓