2023年12月16日，「鄭創匯」國際創新創業大賽年終總決賽，佳睿福鉆石（河南）有限公司創始人馮參軍帶著他的“鉆石芯片觸媒技術”獲得二等獎。

在業內，馮參軍因其觸媒技術推動培育鉆石的誕生，被稱為“培育白鉆第一人”。這一次，他的鉆石芯片計劃，又將如何推動金剛石向終級半導體材料的演進？

       金剛石溯源，碳的催化之旅

       培育鉆石，就是首飾級的金剛石。

       而談到金剛石，廣為人知的是其作為超硬材料，被稱為工業的牙齒，在磨具磨料領域沒它不可。

       時間回溯到1952年，美國科學家威廉·艾弗索，首次用化學氣相沉積法（CVD）研制出人工合成金剛石。1954年，美國通用電氣的霍爾博士團隊，用高溫高壓法（HPHT）成功研制出合成金剛石。

       上世紀50年代，中國集中發展重工業，機械制造、石油化工、冶金、開采等領域都要用到金剛石。但是，新中國成立之初，工業發展相對落后，金剛石無法實現自給。

       公開報道顯示，面對人造金剛石技術被國外“卡脖子”，1960年，鄭州三磨所承擔了這項光榮任務，經過三年科研攻關，成功研發出了中國第一顆人造金剛石，中國自主產權的六面頂壓機也隨之問世。

       這顆小小的金剛石，從此奠定了河南在全球超硬材料領域的重要地位。后來，技術繼續演進，人們從人造金剛石里發現了無色金剛石（俗稱白鉆），首飾級合成金剛石逐漸走向前臺。

       起初，這種人造鉆石在市場上是水下交易，直到五年前，美國聯邦貿易委員會將實驗室培育鉆石（Lab-Grown Diamond）納入鉆石大類，培育鉆石這個品類也先后被施華洛世奇、戴比爾斯，以及美國最大珠寶零售商Signet、全球最大珠寶商潘多拉接納，從此培育鉆石登堂入室。隨著力量鉆石等相關概念股上市，這個產業春潮涌動，也劇烈地沖擊著天然鉆石的市場。

       培育鉆石主要市場在美國，而主要原材料上市公司都在河南，包括黃河旋風、中南鉆石、力量鉆石等。

       推進這一品類進化的核心技術，除了六面頂壓機，還有很少被公開傳播的觸媒配方工藝技術。

       馮參軍將這二者比喻為計算機的硬件和軟件，相輔相成。觸媒就是催化劑，其配方工藝就像“編程”，一是讓碳原子按金剛石的硬度、大小、碳原子排列方向等參數生長，二是通過化學反應改變金剛石的顏色。

       鉆石觸媒，造物者的馴化術

       六面頂壓機的工作原理，是模擬地殼運動，將數萬噸的壓力、上千度的高溫，聚焦在不到10厘米的立方體材料上，讓它在很短的時間內模擬大自然億萬斯年的變化，這是一種怎樣的造物運動？材料專家在觸媒領域進行了大量探索。

       公開報道顯示，2001年，中南鉆石突破金剛石生產的關鍵核心技術——粉末觸媒合成技術，結束了傳統金剛石40多年片狀觸媒生產的歷史，使中國的金剛石制造技術首次與國際同步，成為領跑國際超硬材料技術創新的重要里程碑。

       當年，馮參軍還在中國礦業大學讀書。2003年，馮參軍來到北京某金屬研究院工作，參與了金剛石粉狀觸媒配方工藝的研究實驗，從此扎根金剛石觸媒研究，一干就是二十年。

在研究院期間，馮參軍從黃色人造金剛石中偶然發現了晶瑩的“白鉆”，這讓他特別興奮。只可惜，這種金剛石不符合磨具磨料的指標，馮參軍的觸媒新配方被廠家退了回來。

       2008年，原焦作大三元粉末材料有限公司引進人才，馮參軍進入了這家觸媒銷售研發企業，成為總工。

       也就是在焦作工作期間，馮參軍決定繼續發展觸媒技術，一是通過觸媒的改進讓金剛石長到克拉級，二是讓它變得更白（無色），顏色與凈度與天然鉆石媲美，甚至長成彩色鉆石。

當時大單晶技術被英國壟斷，“白鉆”還沒有市場。馮參軍在與河南理工大學開展產學研期間，通過電子圖書館，查閱大量國內外文獻，一舉攻克了制造大單晶的觸媒配方工藝。

他所在的企業在短短兩年時間內，供應了全國90%工業金剛石的觸媒。但是，2010年，公司發生變故被收購。馮參軍不想放棄觸媒技術的進化，“我從銀行貸款，自掏腰包，租了8臺設備，在鄭州偏遠的古滎鎮自己搞了個實驗室。”

       “這種白鉆不太符合磨料磨具的參數，我也被認為不務正業。今天，時間拉長了看，我當初的努力并沒有白費。”

       “天然鉆石都是無色的，我們發現，氮是讓鉆石變黃的元素，如果氮沒有了，鉆石就會變成無色。”用什么材料去吸氮？馮參軍先后用了二十幾種材料，做了大半年研究。

       馮參軍終于研發出了第一代白鉆技術，做出了 1～2毫米的“小白鉆”。他繼續精進2.0技術，將小白鉆做大了3～5毫米。3.0技術，白鉆已經是1克拉以上。

       2012年開始，馮參軍可以批量生產白鉆。他帶著自己的小白鉆到深圳和義烏找銷路，當時市場上稱這種鉆石為“假鉆”、“人造鉆石”。一次偶然的機會，馮參軍跟一位印度客商達成合作，“這是中國第一筆培育鉆石的外貿生意”，印度是全球主要的鉆石切割市場，他們春江水暖鴨先知。

       白鉆在消費端不脛而走。2016年，鄭州的一家金剛石生產企業花2000萬，將馮參軍所在企業的技術團隊并入，成了河南首家白鉆的研發生產和銷售企業。唯獨馮參軍選擇了獨立發展。今天，全球培育鉆石看中國，中國培育鉆石看河南。以馮參軍為首的老東家，無疑是河南培育鉆石技術的“黃埔軍校”，馮參軍說，“這個圈子不大，中國培育鉆石的觸媒配方工藝都是一脈相承的。”

       2022年，馮參軍繼續精進，實現了4.0技術突破，將片狀觸媒改成粉狀，將傳統晶種法（溫差法）轉化成自發成核法，結束了片狀觸媒合成培育鉆石的歷史，成為行業技術演進的里程碑。這距2001年中南鉆石結束工業鉆石片狀觸媒的時間過去了21年。

       自發成核法生成的培育鉆石，像石榴籽一樣密密麻麻，晶瑩剔透。

       據統計，用粉狀觸媒工藝，2小時能產100克拉3毫米白鉆（560機型），顏色級別達到DEF色，凈度達到VVS-SI級別。據對比，片狀觸媒24小時20克拉（560機型），“目前，市面上使用的是第三代片狀觸媒技術，國外也沒有粉狀技術的突破。”

       吳柏麟教授是原武漢理工大學國家重點實驗室主任，主要從事單晶生長及工藝研究，他針對馮參軍提供的粉末觸媒技術與培育鉆石觸媒技術樣品進行了生長實驗鑒定。他說，馮參軍所提供的粉末觸媒技術的成分、結構、質量方面超越歐美相關技術產品。同時，在培育鉆石觸媒技術分析中，吳伯麟說，馮參軍發現其四種不同規格合成塊的成分、結構，與烏克蘭、俄羅斯的先進技術觸媒成分相似，并且其生長周期從7-8天縮短為4-5天，產品合格率達到90%以上，與國內同行同類產品相比，產能提高了40%-50%。

       到今天，馮參軍一直給市面上的上市公司供應培育鉆石觸媒，市場份額居行業之首。

       鉆石芯片，中美方案商業化角逐

       河南作為超硬材料源頭省份，十分重視超硬材料產業的發展，河南省委書記樓陽生親自擔任該產業鏈鏈長，近日，樓陽生主持召開超硬材料高質量發展座談會，他指出，“搶占前沿賽道，努力走向中高端，成為關鍵環，瞄準金剛石半導材料、電聲熱功能性應用等前沿領域。”

       合成金剛石經歷了從傳統磨料到首飾級金剛石的演進，完成了從工業到消費級市場的滲透，需求端景氣度持續向上。接下來如何繼續向中高端躍遷？答案已經浮出水面，就是功能性金剛石。

       功能性金剛石之所以功能強大，是因為它擁有高熱導率、寬禁帶、高載流子遷移率、高絕緣性、極佳的光學透過性、化學穩定性與抗輻射性等，超過目前地球上的一切半導體材料，也因此被稱為“終極半導體”。

       功能性金剛石在工業級、熱學級、光學級、電子級應用潛力巨大，為解決國防軍工、航空航天、半導體芯片、激光、紅外傳感等國家重大關鍵領域中的卡脖子難題提供終極材料。中國地質大學材料與化學學院教授、博士生導師何涌說：“金剛石的散熱功能，并不是誰的新近發現，教科書里都寫了，在軍工、航天等領域都有應用，只是成本太高，難以大規模商用。”

       生產晶圓大小的單晶鉆石一直是難以實現的技術圣杯。今年，美國的Diamond Foundry Inc用CVD法制造出了世界上第一塊直徑為100 毫米的單晶金剛石晶圓。然而培育周期長，成本太高，離商用遙遙無期。

       怎么辦？

       馮參軍說，我們延續HTHP高溫高壓法中國方案，生產出可以用于半導體散熱材料的單晶金剛石。單晶金剛石分很多類別，其中技術要求最高的是高功率單晶金剛石，不僅要求單晶長成方形，還要求厚度控制在0.2毫米左右，熱導系數為1200-2200 W/MK；與此同時，要控制好碳原子的生方長向，只有這個做好了，才可以實現單晶的拼接鍵合，從而可以把晶圓做得無限大。

       這還不夠，降低成本才是商業化的基礎，馮參軍的快速自發成核粉狀觸媒工藝，恰恰為成本的突破打下了基礎。“我們把金剛石單晶的價格給打下來了，每克拉只需要幾十元。”

馮參軍的相關發明專利已經授權，并與全球光纖光纜領域龍頭上市企業長飛光纖光纜股份有限公司完成了應用測試，簽訂了聯合開發與供應合同。

       12月26日下午，鄭州市科技局生產力促進中心組織專家進行科技成果評價，認定馮參軍的半導體散熱用金剛石可控制備技術達到國內先進水平，突破了金剛石快速生長、拼接技術、觸媒技術，實現了金剛石晶體定向生長。王秦生等行業專家給與了一致好評，認可其牽手長飛光纖等單位可批量使用的經濟社會效益。

       無獨有偶，今年10月，媒體爆出華為與哈爾濱工業大學聯合申請“鉆石芯片”專利的消息，金剛石銅鍵合技術用于芯片散熱。大廠的介入，宣布金剛石應用進入了終極半導體時代，有如當年戴比爾斯承認培育鉆石的效應。

       12月，馮參軍與鄭州高新城市開發建設集團有限公司聯合投資，成立高芯（河南）半導體材料有限公司，首期計劃投資10億元，做大終極半導體材料的產能。

       馮參軍計劃，現階段推動金剛石單晶用于散熱應用，后續將繼續推動鉆石材料在半導體行業的商業化應用，如用于制造晶體管或其他半導體元件的基底材料。

       據長飛光纖材料事業部散熱子產品線總經理白華博士預估，金剛石銅熱沉方案將取代鎢銅散熱，初步預估市場需求量為40噸，未來幾年，將持續高速增長。

       走過金剛石觸媒研發的二十余年，馮參軍開啟了其金剛石事業的第二曲線，力推金剛石芯片散熱中國方案，馮參軍判斷，“2024年，有望成為金剛石作為終極半導體材料的商業化元年。”