文/郑州磨料磨具磨削研究所王光祖卫凤午
郑州人造金刚石及制品工程技术研究中心有限公司
吕华伟王鹏辉
01引言
这是一篇笔者从众多杂志或网站上收集，并经过荟萃，整理汇集起来的综述性文章。真是不博览群书不知晓，在此需要提及的是，当你阅读到本文功能应用效果并找到答案后，一定会惊叹地说，世界真奇妙！从专业的角度考量，文中案例都是与金刚石有关的技术信息。
仅从我们所看到的那冰山一角也好，沧海一栗也罢的技术信息中，初步领略到金刚石功能的奇妙内涵，其奥秘是非常非常深厚、丰富的。为此诱导材料学家对金刚石这个无边无垠的课题，饶有乐意，持续不断地进行探索、揭秘。俄国物理学家卡·冯·伯尔说：“科学的永恒性就在于不懈地寻求之中，科学就其容量而言，是永不枯竭的，就其目标而言，是永远不可企及的。”英国哲学家卡尔·波普讲：“我们的知识只能是有限的，而我们的无知则必定是无限的。”为了揭示更多的金刚石功能应用的奥秘，获取更多、更新的知识，我们的探究工作将永远在路上。
02金刚石的功能及应用
2.1热学性能及应用
金刚石圆盘是控制核聚变反应不可或缺的材料
因为核电能给人们提供给一种环境友好型能源，所以世界各地的科学家都在为实现这一目标而努力。而在这高精尖的领域中却涉及到一个鲜为人知的材料，那就是金刚石，它实际上是一种核聚变技术中不可或缺的材料。
在核反应过程中，氢原子与氮原子发生聚变，会释放巨大的能量。如果将其应用在核电站中，那么有朝一日其将有助于人类可持续和安全的能源供应。回旋管是一种微波振荡器，在反应堆中可产生高达5亿摄氏度的高温，类似一个巨大的微波炉。这种高温可以使氚燃料达到熔化所需的等离子态。为了将来自回旋管的微波辐射击引导到等离子体中，且在真空下将辐射性氚保持在反应堆内，DITKStrauss博士和IAM的ThioScherer教授，合作设计了一个适合窗户单元，而在此极端的环境下，也只有一种材料能够担此重任，那就是金刚石。
反应堆的墙体材料
ITER计划是当今世界科技界为解决人类未来能源问题而展开的重大国际合作计划。其目标是发展无污染且对全球变暖问题无影响的核能源。
由于金刚石对下一代核反应堆所产生的热量具有独一无二的承受能力，因此，将带有金刚石涂层的基体选作反应堆的墙体材料。此外金刚石的抗辐射能力以及它在氢等离子体环境中的化学稳定性也是金刚石成为被选材料的重要原因。
金刚石激光转换器
激光最为重要的两个特性就是它的能量和亮度。
人造金刚石激光束的最大优势在于金刚石的热传导，金刚石的热传导系数比其他光学材料都要高，激光转换器仅需在很小的设备安装包内即可完成，设备的尺寸变小了，但效率大大提高。
由于金刚石在很广泛的光谱内透明度极高，研究者可以利用转换器去生成众多不同颜色的激光并应用在高科技设备中。
2.2光电性能及应用
引领高端制造业发展
在科学家的眼中，单晶金刚石不光是“工业牙齿”，还是“终极半导体”，有专家甚至表示“没有金刚石就没有信息产业”。
利用其无与伦比的热光声电性能，可用于航天员宇宙射线防护、尖端武器装备隐身防腐，提高导弹飞行速度与打击精度、大功率激光探测，可用作大规模集成电路及LED新光源热沉等尖端领域。
金刚石没有保留的透光能力，也使它成为视窗，如红外线夜视镜或雷达罩的极品。金刚石具有高频传声的特点，又使它成为扩音机振动膜的不二选择。
金刚石电子器件相比其他半导体器件具有体积小、集成度高和无需制冷的优势。北京航空航天大学材料科学与工程学院教授张涛相信，金刚石将引发新一代半导体技术的革命。
金刚石基GaN应用：卫星通信功率放大器
目前而言最先进的商业卫星以-Mbps速度传输于地球，而对于一些先进的大型单一卫星概念目标为1-4Gbps。这些速率数据很大程度上受限于制作信号传输器的射频功率放大器。Akash首次建造了一个小型卫星系统(12U)，它将初步实现14Gbps的下行数据速率。接下来的demo数据速率将超过Gbps，而最终目标定为一个普通的卫星的下行速率达到1Tbps。为达到最终目标，他们将使用金刚石上的GaN射频功率放大器。
高灵敏的金刚石量子传感器
对电、磁多等基本物理量高分辨率灵敏度的探测在物理、材料、生命科学等领域均有重要应用。金刚石具有低电场放电的潜力，将使它成为场发射器的黑马。金刚石的高电洞迁移率，甚至可使它在未来登上半导体至尊的宝座。
为此，科研人员提出了一种能抑制磁信号和噪声同时对电场敏感的方法。设计了一种连续动力学解耦序列，形成特定的缀饰态空间，有效抑制了NV色心对磁场的响应，同时保留对电场的线性响应，从而构建了一个更加有效的电信号量子传感器。
这一成果有望在材料的电磁性质表征领域取得重要应用，由于其具有单个电子电荷的探测灵敏度，还可用于凝聚态以及半导体等材料的信号表征。(科技日报)
金刚石-氮化硼晶体层可用于高功率器件
北卡罗来纳州立大学的材料研究人员已经开发出一种最新技术，将金刚石沉积在立方体氮化硼表面，结合成一种新的单晶体结构。
这种材料可以用来制作大功率设备，如创建下一代智能电网所需的固态变压器。
金刚石电机技术，利用水分子治污水
重污染工业企业危废液等水处理一在直是行业难以解决的痛点，需要额外添加化学试剂，容易产生二次污染，治理成本太高。
德国Condias公司生产的金刚石薄膜电极技术，可以通过改变电极的大小电解水分子，使之生成羟基自由基等强氧化剂，从而氧化水中的各类有机污染物和细菌，再通过“冷焚烧”方式将其转化为二氧化碳及相应的无毒无机物，达到净化的目的。
该项技术需要的所有有效成分直接来源于水分子本身，不需要添加任何化学物质，避免了二次污染和成本增加的问题。此外，该项技术的电能利用率和COD(化学需氧量)去除率高达99%以上，耐腐蚀性极强，占地空间小。
金刚石阵列深度弹性应变，或开启微电子量子新时代
未来，钻石将不只是传统印象中的昂贵宝石，人造金刚石也不再是一种机械加工材料，金刚石还将会是一种极具潜力的电子材料、光电材料。
陆洋团队联合哈尔滨工业大学及麻有省理工学院(MIT)等合作研究发现，钻石这种最硬的材料不仅可以弯曲，甚至还可以发生弹性变形，以这一发现为突破口，首次采用纳米力学方法，在室温下沿()、()和()等不同晶体学方向对长度约为1微米，宽度约-纳米的单晶金刚石桥结构进行微加工并在单轴拉伸载荷下实现了样品的均匀弹性应变。
此外，他们还通过相对较大的样品展示了金刚石微桥阵列如何实现同步的深弹性应变。而超大的、高度可控的弹性应变，则能从根本上改变金刚石的能带结构，最终计算出带隙在某特定取向上最大可减小约2EV(电子伏特)，上述发现将对金刚石的电子应用产生重大影响。
哈工大韩杰才院士与香港城市大学、麻省理工学院等合作，在金刚石单晶领域外取得重大科研突破。他们以“微纳金刚石单晶的超大均匀拉伸弹性”为题在线发表于国际著名学术期刊《科学》。
首次通过纳米力学新方法，通过超大均匀弹性应变调控，从根本上改变金刚石能带结构，为实现下一代金刚石基微电子芯片提供了一种全新的方法，为弹性应变工程及金刚石单晶器件的应用提供了基础性和颠覆性解决方案。
21世纪初，以金刚石、碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)等为主的具有超宽带隙特性的第三代半导体材料开始进入人们的视野，其中金刚石由于自身特性成了其中备受
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