人造金剛石是在實(shí)驗(yàn)室里模擬天然鉆石的自然形成環(huán)境培育而成的。兩者在晶體結(jié)構(gòu)完整性、透明度、折射率、色散等方面均無(wú)明顯差異。
人造金剛石具有天然鉆石的一切優(yōu)異的物理化學(xué)性能，使得在精密切削刀具、耐磨器件、半導(dǎo)體及電子器件、低磁探測(cè)、光學(xué)窗口、聲學(xué)應(yīng)用、生物醫(yī)學(xué)、珠寶首飾等方面得到廣泛應(yīng)用。
人造金剛石的應(yīng)用前景
一、切削材料和超精密加工領(lǐng)域
金剛石是目前自然界中硬度*高的礦物。除此之外，還具有高熱傳導(dǎo)率、高耐磨性和化學(xué)穩(wěn)定性。這些特征決定了金剛石也可以是一種優(yōu)越的切削材料。通過(guò)人工培育的大單晶金剛石，可以進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)超精密加工，既能降低成本又能提高技術(shù)。
二、光學(xué)應(yīng)用領(lǐng)域
金剛石具有從X射線到微波整個(gè)波段高的透過(guò)率，是一種優(yōu)異的光學(xué)材料。比如MPCVD單晶金剛石可以做成大功率激光器件的輸能窗口，還可以做成宇宙探測(cè)器的鉆石窗。金剛石兼具耐熱沖擊、耐化學(xué)腐蝕及耐機(jī)械磨損等特性，在紅外窗口、微波窗口、高功率激光窗口、熱成像系統(tǒng)窗口、X射線窗口等方面都有相應(yīng)研究和應(yīng)用。
三、量子器件應(yīng)用領(lǐng)域
含有氮空位缺陷的金剛石具有獨(dú)特的量子特性，能夠在室溫下用特定光束對(duì)NV色心進(jìn)行操作，具有相干時(shí)間長(zhǎng)、熒光強(qiáng)度穩(wěn)定、發(fā)光強(qiáng)度高的特點(diǎn)，是*研究?jī)r(jià)值和前景的量子比特載體之一。大量的研究機(jī)構(gòu)圍繞NV色心進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，在NV色心的共聚焦掃描成像、低溫及室溫下NV色心的光譜研究、利用微波和光學(xué)方法操控自旋取得了大量的研究成果，在高精度磁場(chǎng)測(cè)量、生物成像、量子探測(cè)等方面取得了成功的應(yīng)用。
例如金剛石探測(cè)器不懼極端惡劣的輻射環(huán)境和環(huán)境雜光，無(wú)需加濾光片，而且可以在室溫和較高的溫度下正常工作，不需要像硅探測(cè)器那樣外加冷卻系統(tǒng)。
四、聲學(xué)應(yīng)用領(lǐng)域
金剛石具有彈性模量高、密度低和強(qiáng)度高的優(yōu)點(diǎn)，非常適合用于制作高頻、大功率聲表面波器件，是制作高保真聲學(xué)器件的理想材料。
五、醫(yī)療行業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域
金剛石的高硬度、高耐磨性、低摩擦系數(shù)及良好的生物相容性，使其廣泛應(yīng)用于假體關(guān)節(jié)、心臟瓣膜、生物傳感器等方面，成為現(xiàn)代醫(yī)療行業(yè)不可或缺的重要材料。
六、珠寶首飾方面的應(yīng)用
人造金剛石在顏色、凈度等方面可以與天然金剛石媲美，并且在生產(chǎn)成本和價(jià)格方面具有明顯優(yōu)勢(shì)。2018年，權(quán)威機(jī)構(gòu)FTC將人工合成的培育鉆石納入鉆石類(lèi)，培育鉆石便開(kāi)啟了對(duì)天然鉆石替代的時(shí)代。隨著培育鉆石分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)范與完善，培育鉆石在消費(fèi)市場(chǎng)的認(rèn)可度逐年提高，近兩年全球培育鉆石行業(yè)迅速增長(zhǎng)。根據(jù)美國(guó)管理咨詢公司和安特衛(wèi)普世界鉆石中心聯(lián)合發(fā)布的第十期全球鉆石行業(yè)年度報(bào)告，2020年世界天然鉆石總產(chǎn)量下降到1.11億克拉，下降20%，培育鉆石產(chǎn)量達(dá)到600萬(wàn)至700萬(wàn)克拉，其中50%至60%的培育鉆石是在中國(guó)采用高溫高壓技術(shù)生產(chǎn)的，印度和美國(guó)成為CVD的主要生產(chǎn)中心。隨著國(guó)內(nèi)外知名鉆石品牌運(yùn)營(yíng)商和權(quán)威鑒定檢測(cè)機(jī)構(gòu)的加入，培育鉆石行業(yè)發(fā)展逐漸規(guī)范，消費(fèi)者認(rèn)可度逐年提高，培育鉆石在首飾消費(fèi)市場(chǎng)具有較大的發(fā)展空間。
另外，美國(guó)LifeGem公司已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了“紀(jì)念鉆石”生長(zhǎng)技術(shù)，以人體中的碳為原料（比如頭發(fā)、骨灰）做成鉆石，用一種特殊的方式幫助家人表達(dá)對(duì)失去親人的愛(ài)，賦予培育鉆石特殊的意義。*近，美國(guó)一家熱銷(xiāo)的沙拉醬品牌HiddenValleyRanch還聘請(qǐng)地質(zhì)學(xué)家兼LifeGem創(chuàng)始人DeanVandenbisen用調(diào)味品制作出一顆兩克拉的鉆石，并進(jìn)行拍賣(mài)。然而，這些都是宣傳噱頭，并無(wú)大規(guī)模推廣生產(chǎn)意義。
七、超寬禁帶半導(dǎo)體領(lǐng)域
前面的應(yīng)用大家都很容易理解，今天想重點(diǎn)講一講金剛石在半導(dǎo)體上的應(yīng)用。美國(guó)的勞倫斯利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家在APL（AppliedPhysicsLetters）上發(fā)表了一篇論文，主要觀點(diǎn)是高品質(zhì)的CVD金剛石可用于“超寬禁帶半導(dǎo)體”，并將極大推動(dòng)電網(wǎng)、機(jī)車(chē)、電動(dòng)車(chē)行業(yè)的發(fā)展。
“超寬禁帶”可以這樣通俗簡(jiǎn)單的了解一下：
1、在固體中，電子的能量值是不同的，而且都分布在不同的“能帶”上。有些電子被束縛了，叫做“價(jià)電子”；有些能自由地跑來(lái)跑去的，叫做“自由電子”。
2、價(jià)電子所在能帶與自由電子所在能帶之間的間隙，被稱(chēng)為“禁帶”或“帶隙”。
3、價(jià)電子要成為自由電子，就需要額外獲得能量。這種能量，就是“禁帶寬度”。
4、我們之前用的材料硅（Si），禁帶寬度是1.12eV。
5、后來(lái)開(kāi)發(fā)出了一些材料，增大了禁帶寬度，被統(tǒng)稱(chēng)為“寬禁帶半導(dǎo)體材料”，可以達(dá)到2.3eV以上，比如碳化硅（SiC）。
6、高品質(zhì)的CVD金剛石就具有這種“超寬禁帶”。
在半導(dǎo)體中，有三個(gè)很重要的因素：
（1）載流子遷移率，就是電子跑得快不快；
（2）擊穿場(chǎng)強(qiáng)，反映的是耐電強(qiáng)度；
（3）導(dǎo)熱性。
CVD技術(shù)的金剛石，作為高品質(zhì)的單晶體金剛石，在上面這三個(gè)方面的表現(xiàn)極其*。目前已經(jīng)在MPCVD法制備的大尺寸單晶金剛石上獲得高達(dá)1150m2/V的遷移率。高擊穿電壓、高熱導(dǎo)率自不必多說(shuō)。
科學(xué)家PauliusGrivickas說(shuō)：“我們通過(guò)對(duì)高純度的CVD鉆石進(jìn)行鐳射處理，爭(zhēng)取能‘定制’其中的載流子生命周期。”
在半導(dǎo)體技術(shù)中，有一個(gè)關(guān)鍵的設(shè)備，叫“光導(dǎo)開(kāi)關(guān)”（photoconductiveswitch），其作用可以理解為“利用激光脈沖進(jìn)行觸發(fā)”。以前，光導(dǎo)開(kāi)關(guān)的關(guān)鍵材料是硅，但是用硅做原材料的開(kāi)關(guān)龐大且笨重。Paulius認(rèn)為，用CVD金剛石做光導(dǎo)開(kāi)關(guān)材料的話，“大概能縮到指甲蓋這么大小”。這項(xiàng)技術(shù)對(duì)于培育鉆石行業(yè)（尤其是CVD）的發(fā)展是有積極意義的。一旦以金剛石為基體的寬禁帶半導(dǎo)體可以大規(guī)模應(yīng)用，那么目前世界上的硅基半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)將面臨巨大變革，金剛石寬禁帶半導(dǎo)體將會(huì)*下一次半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)革命。
總之，人造金剛石作為珠寶的發(fā)展空間可以預(yù)見(jiàn)，然而，它的科技應(yīng)用發(fā)展無(wú)限且需求可觀。從長(zhǎng)遠(yuǎn)眼光看，人造金剛石行業(yè)要想長(zhǎng)遠(yuǎn)穩(wěn)定發(fā)展，必須開(kāi)發(fā)成為一種生活、生產(chǎn)的必需品，*終應(yīng)用在傳統(tǒng)工業(yè)及高科技領(lǐng)域。只有盡力開(kāi)發(fā)它的使用價(jià)值才能*大范圍的發(fā)揮它的各項(xiàng)優(yōu)異性能。傳統(tǒng)生產(chǎn)不斷，需求就會(huì)不斷。隨著金剛石合成技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，其重要性已經(jīng)被一些媒體上升到了“國(guó)家戰(zhàn)略”的高度。在天然鉆石日益稀缺、供應(yīng)受限的今天，人造金剛石行業(yè)或?qū)⒖钙疬@面戰(zhàn)略大旗。
