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本期，極智課堂邀請到濟南金剛石科技有限公司董事長、山東大學教授王篤福帶來了題為“金剛石晶體材料生長及應用”的精彩主題分享。

一、人造金剛石概況

金剛石：碳原子以SP3雜化軌道與另外4個碳原子形成共價鍵，構成正四面體。

1．發展歷史

1954年美國通用電氣成功在高溫、高壓條件下合成出人造金剛石，1970年利用溫差法生長出克拉級寶石金剛石；

1963年中國首次用靜壓法合成出人造金剛石；1965年鉸鏈式六面頂壓機安裝成功；

1985年日本住友電氣公司實現克拉級優質金剛石單晶的生產；

1996年戴比爾斯用1000小時合成出25CT優質Ib型金剛石單晶；

1996年美國阿波羅金剛石創始人提出CVD金剛石，2003年推出首飾級CVD金剛石產品；

1998年美國卡內基地質物理實驗室開始CVD單晶金剛石合成；2002年元素六公司開始用CVD法生長單晶金剛石；

2014年俄羅斯NDT公司用HPHT法生產出34CT的IIa型金剛石單晶；

2．國內金剛石產業現狀

2015年濟南金剛石正式產業化生產大尺寸金剛石，單重最大10CT。

2015年中國的金剛石產量超過100億克拉，占世界總產量的90％以上，但主要是小于1mm的磨料級金剛石，占據產業的最低端市場；

以華晶、黃河、中南為代表的磨料企業，可以生產1．2－1．8mm無色單晶和4＊4mmIb型片狀單晶；

目前濟南金剛石、中南鉆石可以生產10CT以上金剛石單晶體，切片尺寸可以達到10＊10mm，為半導體基礎應用研究提供基礎條件。

近幾年國內CVD單晶生長有了快速發展和進步，上海征世、杭州超然、寧波晶鉆等公司生長的金剛石單晶體尺寸可以達到10mm＊10mm以上。

3．半導體應用及研究進展

金剛石單晶材料作為“終極半導體”材料，在高頻、高功率半導體器件領域有著巨大應用潛力，目前主要受制于金剛石單晶尺寸太小。

2013年8月日本國家先進工業科技研究所（AIST）和國立材料研究所（NIMS）的科學家們已經成功研制出了耐高壓（10Kv）真空電力開關并順利進行了試驗；該技術利用了金剛石半導體材料，目前尚屬世界首例，器件體積可縮小到原來的1／10。

2014年5月美國雷神公司使用金剛石替代碳化硅（SiC）作為GaN器件的襯底研制出金剛石基GaN高電子遷移率晶體管（HEMT），證明金剛石基GaN晶體管功率密度比SiC基GaN器件增加3倍，克服了阻礙氮化鎵器件一進步發展的主要障礙。

2014年日本產業技術綜合研究所宣布研制出250度高溫下5A工作SBD，反向截止電壓大于10Kv。

2016年下半年俄羅斯研發出第一臺以金剛石為存儲器的量子計算機。

2020年美國佐治亞理工學院與日本明星大學和早稻田大學聯合開發出“表面激活粘合”（surface－activatedbonding）技術，能夠在室溫環境下將氮化鎵（GaN）等寬禁帶材料與金剛石等高導熱材料集成，提升器件散熱能力，這有可能加快推進金剛石在半導體應用中的產業化。

4．工具類應用－－大尺寸、高硬度

金剛石作為已知最硬的材料，理論上可以加工切削任何材料，制成工具主要用于非鐵基合金、石材和陶瓷材料的加工，在車刀、石油鉆頭、切割工具等領域應用較廣泛。全球金剛石工具市場規模超過200億美元，且應用領域保持20％以上的年增長率。

審核編輯：符乾江