說(shuō)說(shuō)金剛石在功能應(yīng)用方面的那些事①

王光祖,衛(wèi)鳳午

(鄭州磨料磨具磨削研究所,河南鄭州450013)

說(shuō)說(shuō)金剛石在功能應(yīng)用方面的那些事①

王光祖,衛(wèi)鳳午

(鄭州磨料磨具磨削研究所,河南鄭州450013)

金剛石在工業(yè)和科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域中,概括地說(shuō),是用作工程材料和功能材料的。文章僅就金剛石在醫(yī)學(xué)、微電子機(jī)械系統(tǒng)、光學(xué)、檢測(cè)器和傳感器、聲學(xué)、磁性錄音系統(tǒng)、場(chǎng)發(fā)射顯示器、電子信息、熱學(xué)、高溫高頻半導(dǎo)體材料和電化學(xué)與輻射探測(cè)學(xué)等方面的應(yīng)用,做了簡(jiǎn)要的闡述。認(rèn)為從所提供的不多信息中,可初略地感覺(jué)金剛石其功能應(yīng)用的端倪。為使金剛石功能應(yīng)用的美好未來(lái)早日展現(xiàn)在人們的面前,提出了一馬當(dāng)先,比別人多想幾步;馬上行動(dòng),成功源于行動(dòng)和立馬做第一個(gè)吃螃蟹人的理念。

納米金剛石;CVD金剛石;功能應(yīng)用

材料是現(xiàn)代文明三大支柱之一,新材料是新技術(shù)革命的基礎(chǔ)與先導(dǎo)?？v觀人類(lèi)利用材料的歷史,可以清楚地看到,每一次新材料的發(fā)現(xiàn)與應(yīng)用,都把人類(lèi)改造自然的能力提高到一個(gè)新的水平,材料科學(xué)的每一次重大突破,都會(huì)引起生產(chǎn)技術(shù)的革命,給社會(huì)生產(chǎn)和人們生活帶來(lái)巨大的變化。

從歷史發(fā)展來(lái)看,在每一個(gè)文明的時(shí)代,哪一個(gè)國(guó)家或地區(qū)首先掌握了這個(gè)時(shí)代的標(biāo)志性技術(shù),就能在國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)中一馬當(dāng)先,大幅度地提高自己的生產(chǎn)發(fā)展水平;哪一個(gè)國(guó)家率先掌握了先進(jìn)技術(shù),就能在當(dāng)時(shí)的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)格局中取得優(yōu)勢(shì)地位。

金剛石集許多優(yōu)異性能于一身,除了超硬特性之外,它還具有最高的熱傳導(dǎo)率,優(yōu)良的光學(xué)性能、半導(dǎo)體性能和化學(xué)穩(wěn)定性。今天人造金剛石的應(yīng)用己經(jīng)涉及眾多的領(lǐng)域,可以毫不夸張地說(shuō),沒(méi)有人造金剛石便沒(méi)有現(xiàn)代化工業(yè)。盡管如此,相對(duì)于金剛石的應(yīng)用潛力而言,到目前為止我們才僅僅開(kāi)發(fā)利用了一小部分,金剛石的應(yīng)用可以說(shuō)還處于初級(jí)階段。

金剛石在工業(yè)和科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域中的應(yīng)用,概括地說(shuō),是用作工程材料和功能材料的。自人造金剛石問(wèn)世后的半個(gè)多世紀(jì)里,它主要是用來(lái)作為工程材料的,例如制造磨具、鉆探工具、鋸切工具、切削工具等,為工業(yè)技術(shù)的現(xiàn)代化作出了巨大的貢獻(xiàn),半個(gè)多世紀(jì)過(guò)去了,我們認(rèn)為這僅僅是其應(yīng)用開(kāi)發(fā)本義的冰山一角,更精彩誘人的應(yīng)用前景還在后頭。

功能材料是指那些具有可用于工業(yè)和技術(shù)中的有關(guān)物理和化學(xué)功能,如光、電、磁、聲、熱等特殊性能的各種材料,包括電功能材料、磁功能材料、光功能材料、超導(dǎo)材料、智能材料、儲(chǔ)氫材料、生物材料、醫(yī)學(xué)材料、組織工程材料、納米藥物載體、功能膜等。

金剛石膜是上世紀(jì)70年代發(fā)展起來(lái)的一種全新的金剛石產(chǎn)品。由于它突破了以靜壓法為代表的傳統(tǒng)人造金剛石在尺寸上的限制,使得金剛石的光學(xué)、熱學(xué)、電子學(xué)方面的優(yōu)異性能得以利用。

隨著大單晶金剛石合成技術(shù)的進(jìn)一步提高和成本下降,金剛石的應(yīng)用范圍和市場(chǎng)將會(huì)迅速擴(kuò)大,尤其是一旦金剛石半導(dǎo)體研制成功,人類(lèi)將迎來(lái)繼鋼鐵時(shí)代和單晶硅時(shí)代后的更為輝煌的金剛石時(shí)代,現(xiàn)在我們己經(jīng)看到了這個(gè)時(shí)代的黎明曙光。

1 在醫(yī)療中的應(yīng)用

1.1 在醫(yī)學(xué)測(cè)溫技術(shù)領(lǐng)域中的新應(yīng)用

科學(xué)家們發(fā)現(xiàn),金剛石晶體內(nèi)的單原子雜質(zhì)(通常被一個(gè)氮原子或一個(gè)空位所代替)對(duì)于溫度變化非常敏感,這樣的溫度波動(dòng)對(duì)于保持量子比特來(lái)說(shuō)可能是一種技術(shù)障礙,而將之用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的生物體溫度測(cè)量卻十分有用。

在哈佛大學(xué)進(jìn)行的這項(xiàng)研究中,工作者將一個(gè)100nm的金剛石粒子置入人體細(xì)胞中,然后用綠色激光照射該金剛石粒子。由于激光改變了雜質(zhì)內(nèi)電子的自旋狀態(tài),發(fā)射出的綠色激光經(jīng)過(guò)納米金剛石粒子后便變成了紅色激光。激光顏色改變的程度便可以用來(lái)測(cè)量人體細(xì)胞內(nèi)的溫度變化。

這種基于納米金剛石粒子的高精度溫度差測(cè)量技術(shù),在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域可以幫助醫(yī)生們區(qū)別人體內(nèi)的致癌細(xì)胞并及時(shí)做出醫(yī)療診斷,納米金剛石材料的應(yīng)用前景也因此更為廣闊。

1.2 納米金剛石用于提高白血病的化療效果

Daunorubicin(柔毛霉素)是目前常用治療白血病的藥物。該藥物會(huì)讓癌細(xì)胞增長(zhǎng)時(shí)間變慢或停止,并造成大多數(shù)癌細(xì)胞死亡。然而,它也會(huì)讓白血病細(xì)胞對(duì)該藥物產(chǎn)生耐藥性,藥物輸入白血病細(xì)胞中會(huì)積極排出化學(xué)治療物,包括柔毛霉素。

新加坡國(guó)立大學(xué)和加州大學(xué)的科學(xué)家轉(zhuǎn)向研究納米金剛石作為解決藥性的一個(gè)選題,以研究納米金剛石可能克服耐藥性的生物學(xué)原理。

科學(xué)家將柔毛霉素結(jié)合至納米金剛石表面,后被引入到白血病細(xì)胞內(nèi)。發(fā)現(xiàn)納米金剛石能把藥物運(yùn)輸?shù)桨┘?xì)胞內(nèi)而不被排出。納米金剛石由于其非入性的大小和獨(dú)特的表面特性,可以很容易釋放,而不堵塞血管。

從事這項(xiàng)研究的周博士說(shuō):使用納米金剛石提供了一個(gè)理想的生物兼容性復(fù)合物,且是理想的治療運(yùn)輸工具,可以增強(qiáng)治療的效果。目前的目標(biāo)之一就是確定藥物會(huì)很好地被納米金剛石運(yùn)輸?shù)教囟ǖ募膊∧Ｐ?這將有利于在未來(lái)對(duì)病人進(jìn)行的治療。

對(duì)納米金剛石進(jìn)一步系統(tǒng)研究和安全性評(píng)估,將有望實(shí)現(xiàn)它能完全投入使用,并希望研究工作能應(yīng)用至臨床中治療白血病,不會(huì)出現(xiàn)柔毛霉素治療的情況。

美國(guó)食品與藥品管理局(FDA)已經(jīng)通過(guò)了納米注射混懸液(Abraxane)研究成果,這將有助于加速研制出新型的治療癌癥的納米治療藥物和成像技術(shù)。

1.3 使用納米金剛石輸送腦瘤化療藥物

加州大學(xué)瓊森綜合癌癥中心的研究人員研發(fā)出一種創(chuàng)新性藥物輸送系統(tǒng),利用納米金剛石的微小顆粒來(lái)輸送化療藥物,且達(dá)腦部腫瘤處。該新型治療方法能有效地殺死癌細(xì)胞,與現(xiàn)有治療方法相比,副作用發(fā)生機(jī)率極低

阿霉素是一種常見(jiàn)的化療劑。直接注射進(jìn)腫瘤處時(shí),擔(dān)當(dāng)藥物來(lái)治療腫瘤。加州大學(xué)牙科學(xué)院迪安·何讓阿霉素分子附在納米金剛石表面,創(chuàng)造出一種化合物ND-DOX。

研究發(fā)現(xiàn),腫瘤的ND-DOX水一直保持穩(wěn)定超過(guò)單獨(dú)注射阿霉素,顯示出附著在納米金剛石上的阿霉素進(jìn)入到腫瘤中且保留時(shí)間更長(zhǎng)。還發(fā)現(xiàn),ND -DOX能增加癌細(xì)胞的死亡,且減少神經(jīng)膠質(zhì)瘤細(xì)胞存活性。

研究笫一次顯示出ND-DOX運(yùn)輸有限量的阿霉素,分散在腫瘤外部。這一運(yùn)輸方式減少了毒副作用,并確保藥物在腫瘤處的時(shí)間更長(zhǎng),增加藥物殺死腫瘤的有效性,而不影響周邊的組織。

2 在微電子機(jī)械系統(tǒng)中的應(yīng)用

金剛石的熱導(dǎo)率和電阻率是所有物質(zhì)中最高的,利用金剛石的這些特性,在電子元器件材料表面沉積納米金剛石薄膜,可以大大縮小原來(lái)元件中用于散熱的部件尺寸,這不僅解決了導(dǎo)熱問(wèn)題,而且也提供了制作超大規(guī)模集成電路的可能。膜層對(duì)導(dǎo)體也起到了絕緣保護(hù)的作用,避免了元件之間的相互干擾。

阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)的超納米金剛石(UNCD)薄膜及ADT(Advanced Diamond Technologies Inc.)有關(guān)產(chǎn)品可以用來(lái)制備MEMS/NEMS器件。例如射頻振蕩器、加速度計(jì)、AFM探針、微電機(jī)。

3 光學(xué)性能的應(yīng)用

3.1 導(dǎo)彈紅外視窗

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線(xiàn)透過(guò)能力,但其物理特性比較脆弱,容易受損傷。而在軍事和非常規(guī)用途上,對(duì)紅外窗口的要求非常嚴(yán)格。這些設(shè)備經(jīng)常工作在非常惡劣的條件下,例如,用于導(dǎo)彈的紅外窗口在導(dǎo)彈發(fā)射后,不但運(yùn)行于高速狀態(tài),同時(shí)還要經(jīng)受風(fēng)沙雨雪考驗(yàn)。金剛石膜是一種優(yōu)質(zhì)的表面材料,金剛石具有紅外增透特性,同時(shí)金剛石膜又是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(dǎo)熱、耐磨等特性,也可以很好地保護(hù)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(lǐng)域?qū)t外窗口應(yīng)用的各種問(wèn)題。

美國(guó)洛克希德導(dǎo)彈和空間公司,已采用低壓氣相合成的金剛石膜制造大氣動(dòng)能武器導(dǎo)彈攔截器的窗口,在硅片上雙面鍍金剛石膜,可增加透光率26%,該窗口可承受?chē)?yán)酷的高速飛行,而不會(huì)產(chǎn)生由于飛行-光學(xué)效應(yīng)引起的窗口發(fā)射。

3.2 用于光學(xué)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的新型金剛石透鏡

從1985年開(kāi)始,壓縮盤(pán)和CD就成了標(biāo)準(zhǔn)的音樂(lè)、數(shù)碼相機(jī)、計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)和游戲的存儲(chǔ)介質(zhì),由于對(duì)存儲(chǔ)盤(pán)的存儲(chǔ)能力要求不斷增加,未來(lái)一代的光學(xué)媒介需要有較高的存儲(chǔ)能力。這種趨勢(shì)在DVD和它的后續(xù)產(chǎn)品Blu-Ray(藍(lán)光雷射)盤(pán)上就已顯現(xiàn)出來(lái)。金剛石透鏡是下一代存儲(chǔ)技術(shù)的核心部件,它的存儲(chǔ)能力將能達(dá)到每張盤(pán)1TB(1000GB)以上。

提高數(shù)據(jù)存儲(chǔ)密度的關(guān)鍵,是能制造出能利用短波來(lái)工作的小透鏡。通過(guò)技術(shù)上的改進(jìn)來(lái)增加盤(pán)的存儲(chǔ)容量,即通過(guò)減小激光讀出器的波長(zhǎng)和增加聚焦透鏡的數(shù)字光柵(NA)。這就要獲得高的NA值,所用的材料相當(dāng)重要,在使用中要有高的折射率和透明度,而金剛石正是適合于這些條件的首選材料。

元素六公司通過(guò)化學(xué)治汾沉積法獲得的人造金剛石是一種符合需要的理想光學(xué)材料。透鏡生產(chǎn)商取得了一項(xiàng)重要的技術(shù)突破,使透鏡將能存儲(chǔ)大量的數(shù)據(jù),以滿(mǎn)足商業(yè)化的需求。這也是金剛石加工技術(shù)在微觀領(lǐng)域的新進(jìn)展,同時(shí)也是金剛石多功能性的展示。

3.3 用于隱身材料

近年來(lái),隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,各種探測(cè)手段越來(lái)越先進(jìn),例如,用雷達(dá)發(fā)射電磁可以探測(cè)飛機(jī),利用紅外探測(cè)器也可以發(fā)現(xiàn)放射紅外線(xiàn)物體。當(dāng)前,世界各國(guó)為了適應(yīng)現(xiàn)代化戰(zhàn)爭(zhēng)的需要,提高在軍事對(duì)抗中的實(shí)力,也將隱身技術(shù)作為一個(gè)重要的研究對(duì)象,其中隱身材料在隱身技術(shù)中占有重要地位。用少量的納米金剛石懸浮在涂料中,將其噴涂在飛機(jī)、坦克、導(dǎo)彈、軍艦上,可以起隱形防腐作用。

為什么超微粒子,特別是納米粒子對(duì)紅外和電磁波有隱身作用呢?主要原因有兩點(diǎn):一方面由于納米微粒尺寸遠(yuǎn)小于紅外和雷達(dá)波波長(zhǎng),因此納米微粒材料對(duì)這種波長(zhǎng)的透過(guò)率比常規(guī)材料要強(qiáng)得多,這就大大減少了波的反射率,使得紅外探測(cè)器和雷達(dá)接收到反射信號(hào)變得很弱,從而達(dá)到隱身的作用;另一方面,納米微粒材料的表面積比常規(guī)粗粉大了3～4個(gè)數(shù)量級(jí),對(duì)紅外光和電磁波的吸收率也比常規(guī)材料大得多,這就使得紅外探測(cè)器和雷達(dá)得到的反射信號(hào)強(qiáng)度大大降低,因此很難發(fā)現(xiàn)被探測(cè)目標(biāo),起到了隱身作用。目前,隱身材料雖在很多方面都有廣闊的應(yīng)用前景,但當(dāng)前真正發(fā)揮作用的隱身材料大多使用在航天航空及與軍事有密切關(guān)系的部件上。對(duì)于上天的材料有一個(gè)要求是重量輕,在這方面納米材料是有優(yōu)勢(shì)的,特別是由輕元素組成的納米材料在航空隱身方面應(yīng)用十分廣泛。

4 在檢測(cè)器和傳感器中的應(yīng)用

負(fù)責(zé)CMS實(shí)驗(yàn)的CERN科學(xué)家Anna Dabrowski說(shuō):我們的CMS實(shí)驗(yàn)室主要依靠人造金剛石的穩(wěn)定性對(duì)大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)光束和對(duì)撞過(guò)程中產(chǎn)生的粒子進(jìn)行監(jiān)測(cè)。這種基于金剛石技術(shù)的系統(tǒng),其穩(wěn)定性對(duì)于保護(hù)66 000 000通道像素跟蹤的敏感元件有重要作用。(NOVEL MATERIAS:Synthetic diamond offers much more than heat sinking)

除粒子檢測(cè)外,這方面的應(yīng)用還有:

利用帶有氮空位中心的單晶金剛石研發(fā)微型磁力計(jì)并通過(guò)磁場(chǎng)的強(qiáng)度和方向進(jìn)行傳感。

利用金剛石的惰性和摻硼傳導(dǎo)能力來(lái)生產(chǎn)高度可逆的電化學(xué)傳感器。

利用兩極電化學(xué)電池中的摻硼金剛石替代腐蝕性液體,減少有害化學(xué)品,實(shí)現(xiàn)環(huán)保型電池的生產(chǎn)。

5 在聲學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用

5.1 用作制作高保真的聲學(xué)器件

金剛石具有最高的傳聲速度(C=18.5km/s)和適度的內(nèi)阻尼因素,用其薄膜制備的振動(dòng)膜具有優(yōu)異的高頻響應(yīng)特性,而材料的HRF值隨著傳聲速度的增加而增加,可達(dá)63k Hz。信號(hào)噪聲比也隨傳聲速度的增加而增加,而高的號(hào)噪聲比才能產(chǎn)生清晰的聲音。由于DF和DLC的HRF較大,屬于最理想的中高音振膜材料,可用來(lái)制造高檔保真(High-Fidility,簡(jiǎn)稱(chēng)Hi-Fi)聲學(xué)器件。

多晶金剛石涂覆的陶瓷振膜已用做高檔立體聲揚(yáng)聲器的高頻振膜。國(guó)際上DLC涂層振動(dòng)膜已接近商品化,DF振動(dòng)膜與商品化尚有距離。

5.2 空間探測(cè)器“旅行者1號(hào)”攜金剛石留聲機(jī)針駛離太陽(yáng)系

近日,美國(guó)航天局(NASA)噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室發(fā)表聲明,于1977年發(fā)射的“旅行者1號(hào)”探測(cè)器發(fā)回的數(shù)據(jù)顯示,它已抵達(dá)太陽(yáng)系邊緣。

這個(gè)肩負(fù)著追尋宇宙文明使命的航天器,最特別之處就是在于它攜帶了一張銅質(zhì)磁盤(pán)唱片,唱片有12英寸厚,鍍金表面,內(nèi)藏金剛石留聲機(jī)針。金剛石具有高的楊氏模量和彈性模量,便于高頻聲學(xué)波高保真?zhèn)鬏?是做揚(yáng)聲器高頻振膜最理想的材料。

一封寫(xiě)給地外文明的“信”也因其獨(dú)有的金剛石留聲機(jī)針裝置,將有效使用時(shí)間延長(zhǎng)到了十億年之后。遠(yuǎn)離太陽(yáng)系后,“旅行者1號(hào)”還將攜帶著地球人的問(wèn)候以每秒17公里的速度向銀河系中心駛?cè)ァ?/p>

5.3 用作射頻微電機(jī)及SAW器件的理想材料

UNCD具有在所有材料中聲速最高、功耗低(Q值高)、頻率溫度系數(shù)低以及在高的頻率/功率下的線(xiàn)性頻率響應(yīng),使其成為GHz頻段上射頻微機(jī)電器件的理想材料。采用UNCD將射頻濾波器和開(kāi)關(guān)與性能微電子直接集成來(lái)達(dá)到增強(qiáng)性能,并且能極大地減小器件的尺寸。

金剛石膜聲表面速度可達(dá)到9000～0000m/s,在目前所有材料中最高。因此,用金剛石膜可制造出頻率最高的SAW器件。另外,金剛石的高導(dǎo)熱率使得SAW器件能夠承受更高的功率。日本住友電氣公司在硅基金剛石膜基片SAW器件的制造方面處于世界領(lǐng)先水平。2002年已經(jīng)能夠做到5GHz。

6 用于磁性錄音系統(tǒng)

首先,納米金剛石在磁帶和磁盤(pán)的鐵碌磁鍍膜中的應(yīng)用是作為減磨的添加劑和物理的變性劑;其次,將其添加到電化學(xué)的復(fù)合鍍膜中,可改善磁性錄音的穩(wěn)定性。

磁性納米微粒由于尺寸小,具有單磁疇結(jié)構(gòu)、矯沛頑力征很高的特性,用它制作磁記錄材料可以提高信噪比,改善圖像質(zhì)量。作為磁記錄單位的磁性粒子的大小必須滿(mǎn)足以下要求:

(1)顆粒的長(zhǎng)度應(yīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于記錄波長(zhǎng);

(2)粒子的寬度應(yīng)該遠(yuǎn)小于記錄深度;

(3)一個(gè)單位的記錄體積中,盡可能有更多的磁性粒子。

納米金剛石添加到鐵磁層明顯的能減少磁疇(鐵磁體的顆粒),即錄音密度能明顯地增大。

納米金剛石引入到磁頭潔凈的專(zhuān)用膜中,其耐磨性明顯地增大。

含有納米金剛石的軟磁信息載體具有以下優(yōu)越性:磁載體層磨損下降、摩擦減少和運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定性提高。

與純CoP鍍膜比較,CoP-納米金剛石軟磁的非晶膜顯示,顯微硬度增大30%,耐磨性提高3.5倍,摩擦系數(shù)減少28.6%,磁頭鐵芯的使用壽命增加1倍。

7 在場(chǎng)發(fā)射顯示器中的應(yīng)用

場(chǎng)發(fā)射顯示器(Field Emission Display,FED)是一種新型自發(fā)光平板顯示器。

金剛石有比較低的逸出功,電子較容易通過(guò)表面勢(shì)壘而成為場(chǎng)發(fā)射的電子,這是作為場(chǎng)發(fā)射陰極最重要的條件。此外,金剛石膜還具有一系列優(yōu)異的性能,如極高的硬度、導(dǎo)熱性極佳、光透性好、化學(xué)性能穩(wěn)定等,這些都是場(chǎng)發(fā)射陰極的有利條件。因此,用金剛石膜來(lái)做冷陰極成為研究熱點(diǎn)之一,并取得了相當(dāng)?shù)某晒?/p>

需要指出的是,高質(zhì)量的金剛石幾乎不導(dǎo)電,難以做成直接用來(lái)作場(chǎng)發(fā)射顯示器的陰極。目前,用來(lái)作場(chǎng)發(fā)射陰極的是類(lèi)金剛石膜或摻N、H等元素的金剛石膜。如今在大多數(shù)實(shí)際研究中,一般采用sp3含量較高的類(lèi)金剛石膜并摻N、H等元素后作為場(chǎng)發(fā)射材料。

冷陰極場(chǎng)發(fā)射顯示器因?yàn)榫C合了當(dāng)前各種顯示器的優(yōu)點(diǎn),其前景備受方方面面的一致看好,被認(rèn)為是顯示器的“明日之星”。

8 電子信息行業(yè)

在電子信息領(lǐng)域中,超硬材料切割工具主要用于電子元件用晶體材料加工、IC(集成電路)封裝材料切斷加工、光電子元件模塊的光學(xué)部件加工、視聽(tīng)顯示器件模塊部件的加工等。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步,IC集成度越來(lái)越高,功能模塊化設(shè)計(jì)推陳出新,相應(yīng)的加工工序?qū)Τ膊牧瞎ぞ叩囊笠苍絹?lái)越高,同時(shí)也促進(jìn)了電子信息領(lǐng)域用超硬材料切割工具的發(fā)展。

目前電子信息領(lǐng)域用超硬材料工具市場(chǎng)大部分還是被國(guó)外產(chǎn)品所占據(jù),主要是日本DICO、ASAHI、MITSUBISH,美國(guó)ITI、MTI、UKAM,韓國(guó)EHWA、SHINHAN,瑞士WALL等公司。對(duì)此,國(guó)內(nèi)已進(jìn)行了有針對(duì)性的開(kāi)發(fā),其中三磨所做了大量開(kāi)發(fā)工作,部分產(chǎn)品性能達(dá)到或接近國(guó)外產(chǎn)品性能。

9 在熱學(xué)性能方面的應(yīng)用

9.1 新型固態(tài)激光器

將金剛石用作固態(tài)激光器材料為設(shè)計(jì)小而緊湊的固態(tài)激光器帶來(lái)了新的機(jī)遇,這些激光器將具有更強(qiáng)的功率承載能力,并在當(dāng)前無(wú)法獲得的波長(zhǎng)下進(jìn)行,因而會(huì)開(kāi)辟新的應(yīng)用領(lǐng)域。金剛石擁有獨(dú)特的光學(xué)和熱學(xué)綜合特性,因此非常適合于這些應(yīng)用,元素六生產(chǎn)的最新單晶CVD材料就充分利用了這些特性。例如,拉曼激光器已經(jīng)利用硅等材料被開(kāi)發(fā)出來(lái),而且正被用于電信領(lǐng)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(zhǎng)。

由于熱量問(wèn)題,目前的幾代連續(xù)波固態(tài)拉曼激光器被局限于區(qū)區(qū)幾瓦功率。金剛石具有很強(qiáng)的導(dǎo)熱性和較低的熱膨脹系數(shù),因而擁有更大的功率氶載能力。從事此項(xiàng)研究的Kemp博士指出:“激光工程中最不受關(guān)注但卻最普遍的問(wèn)題是如何處理熱能,尤甚是當(dāng)你希望在小封裝中實(shí)現(xiàn)高性能的時(shí)候。在高功率拉曼激光器中這一問(wèn)題尤為突出,因?yàn)槟軌虺蔀楹芎玫睦D(zhuǎn)換器的晶體通常導(dǎo)熱性很差,于是金剛石便有了它的用武之地。金剛石的導(dǎo)熱性比常用的拉曼旋光晶體高出兩到三個(gè)數(shù)量級(jí),它應(yīng)是一種出色的拉曼介質(zhì),我們能夠?qū)崿F(xiàn)更高的輸出功率?！贝送?與目前使用的拉曼旋光晶體相比,金剛石改變波長(zhǎng)的能力更強(qiáng)一些,這可能會(huì)增加它的應(yīng)用潛力。Chris Wort說(shuō):“與傳統(tǒng)的拉曼介質(zhì)相比,金剛石擁有更高的拉曼增益系數(shù)和更大的拉曼位移?！?/p>

9.2 熱沉應(yīng)用

CVD金剛石具有和單晶IIa型金剛石同樣的最高熱導(dǎo)率,使它在最活躍的迫電子、光電子、光通訊等領(lǐng)域中作為高功率密度的高端器件的散熱元件得到廣泛的應(yīng)用。主要應(yīng)用在激光二極管及陣列、高速計(jì)算機(jī)CPU芯片多維集成電路、軍用大功率雷達(dá)微波行波管導(dǎo)熱支撐桿、微波集成電路基片、集成電路封裝自動(dòng)鍵合工具TAB等高技術(shù)領(lǐng)域。

當(dāng)前集成電路,激光二極管列陣等大功率高密度器件的應(yīng)用越來(lái)越廣泛,但隨著管芯溫度的升高,使用壽命和性能則大為縮短。而高熱導(dǎo)率的金剛石熱沉可以盡快將熱量導(dǎo)出,從而減小溫升。

10 高溫、高頻半導(dǎo)體材料應(yīng)用

CVD金剛石是一種性能優(yōu)異的高溫、寬帶隙半導(dǎo)體材料,其電子和空穴載流子遷移速度極高。CVD金剛石半導(dǎo)體其工作最高溫度可達(dá)到600℃以上,這是金剛石材料被定格的終極應(yīng)用。CVD代替目前最廣泛應(yīng)用的鍺、硅和砷化鎵半導(dǎo)體材料,將成為半導(dǎo)體材料和技術(shù)發(fā)展的里程碑。因此,材料學(xué)家預(yù)測(cè),CVD半導(dǎo)體器件的問(wèn)世是電子技術(shù)的一場(chǎng)革命。目前CVD金剛石二極管、場(chǎng)效應(yīng)二極管以及在惡劣環(huán)境下使用的多種光敏-壓敏-熱敏半導(dǎo)體器件已研制成功,并開(kāi)始應(yīng)用和進(jìn)入市場(chǎng)。

11 電化學(xué)和幅射探測(cè)學(xué)應(yīng)用

CVD金剛石的電絕緣、寬禁帶、抗幅射以及特有的電負(fù)性特點(diǎn),使它在核反應(yīng)、高能粒子加速器的探測(cè)器應(yīng)用獲得成功。同時(shí),具有高靈敏度的CVD金剛石放射性探測(cè)器在腫瘤的治療、放射性污染檢測(cè)和處理中做出了很好的貢獻(xiàn)。由于其具有非常寬的電化學(xué)窗口(＞3V)和極好的化學(xué)惰性,摻雜的CVD金剛石電化學(xué)電極已經(jīng)開(kāi)始在環(huán)境保護(hù)領(lǐng)域如有害污染檢測(cè)和污水處理中得到應(yīng)用。

12 愿望潛力

(1)值得注意的是,單晶CVD金剛石制作的超高強(qiáng)度砧座可用于新材料合成與基礎(chǔ)科學(xué)研究的新一代高壓試驗(yàn)裝置。元素六公司作為研制CVD金剛石的領(lǐng)先企業(yè),目前正積極開(kāi)發(fā)利用這種材料的尖端性能,這可能對(duì)本世紀(jì)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展產(chǎn)生巨大而深遠(yuǎn)的影響。

(2)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(yōu)越特性,有可能改善現(xiàn)有電氣設(shè)計(jì)與電路布局,從而影響宇航工業(yè)未來(lái)動(dòng)力電子設(shè)備的結(jié)構(gòu)。

(3)金屬半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管一直被認(rèn)為是采用CVD金剛石制造的最有發(fā)展前景的器件之一。因?yàn)榻饎偸c傳統(tǒng)的半導(dǎo)體相比,具有在更高溫度和更高擊穿電壓下工作的能力。與電子線(xiàn)路中應(yīng)用的具有競(jìng)爭(zhēng)力的材料如硅和砷化鎵等相比,單晶CVD金剛石的內(nèi)在固有性質(zhì)顯然更為優(yōu)越,在高科技中的應(yīng)用具有強(qiáng)勁需求。新型電子器件的應(yīng)用以期改進(jìn)微波功率電子設(shè)備,有可能將引起微波功率電子設(shè)備的大變革。

(4)用單晶CVD金剛石制作的高數(shù)值孔徑透鏡,用于近場(chǎng)光信息存儲(chǔ)可使光盤(pán)的信息容量大為提高,有可能提高到150GB以上。據(jù)稱(chēng),理論信息容量可高達(dá)550GB。

(5)值得提及的是,金剛石微波透射窗是目前德國(guó)和日本正在進(jìn)行的核聚變?cè)囼?yàn)的關(guān)鍵部件,也是正在法國(guó)建造的國(guó)際熱核試驗(yàn)反應(yīng)堆的重要部件。由于CVD金剛石對(duì)微波能的吸收率低,但熱導(dǎo)率高,而且介電常數(shù)小,因而在微波應(yīng)用中是至關(guān)重要的材料。

(6)如果量子級(jí)超高純度單晶質(zhì)CVD金剛石在量子計(jì)算機(jī)的應(yīng)用獲得成功,將極大地提高計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度,快速搜索查找浩如煙海的數(shù)據(jù)庫(kù)并建立復(fù)雜的計(jì)算模型,就有可能迅速破譯極其復(fù)雜的密碼。目前各國(guó)軍事機(jī)構(gòu)均不遺余力支持量子計(jì)算機(jī)的研制,可以說(shuō),這種超純度各向同性量子單晶質(zhì)CVD金剛石的研制成功,標(biāo)志著CVD技術(shù)合成金剛石發(fā)展的一個(gè)里程碑。

(7)ADT公司成功研制的UNCD Horigon,是迄今世界上最光滑的UNCD薄膜,標(biāo)志著CVD金剛石技術(shù)水平一個(gè)劃時(shí)代的躍進(jìn),使金剛石薄膜的表面光潔度達(dá)到了電子級(jí)硅晶片的水平,開(kāi)創(chuàng)了金剛石薄膜在電子器件和生物醫(yī)學(xué)器件上多樣化應(yīng)用的新時(shí)代。

(8)在21世紀(jì),世界各國(guó)的具有開(kāi)拓創(chuàng)新、勇于挑戰(zhàn)自我的科技工作者,都不約而同地把目光投向一種新型材料——納米材料,而納米金剛石是納米材料家族中的一個(gè)非常重要的成員。納米和納米以下的結(jié)構(gòu)是未來(lái)科技發(fā)展的一個(gè)重點(diǎn),它既是一次技術(shù)革命,又是一次產(chǎn)業(yè)革命。由于納米金剛石具有奇特的物理-機(jī)械性能,因此,它是一種具有重要理論研究和應(yīng)用研究?jī)r(jià)值的材料。相信,其開(kāi)發(fā)應(yīng)用一定會(huì)推動(dòng)人類(lèi)科技迅速的發(fā)展,給人們帶來(lái)更多的物質(zhì)利益和福音。從已開(kāi)發(fā)的應(yīng)用領(lǐng)域就不難預(yù)言其潛在前景是美好的。

13 理念

從上述不多的信息中,應(yīng)該初略地感覺(jué)到金剛石其功能應(yīng)用的端倪,并預(yù)示著她精彩的未來(lái)。為使那光輝燦爛的美景早日到來(lái),我們必須:

(1)一馬當(dāng)先,比別人多想幾步。做事的時(shí)候只要能夠比別人多想幾步,你便可超越他人。一個(gè)成功者之所以能成功,其實(shí)并沒(méi)有什么秘訣,只不過(guò)有著比平常人多想幾步的習(xí)慣罷了。

在成功的道路上,“埋頭苦干”固不可少,但也不可忽視“抬頭看路”。比別人多想幾步,有時(shí)非但不會(huì)浪費(fèi)時(shí)間,還會(huì)使自己對(duì)未來(lái)?yè)碛懈浞?、更全面地了解和把?從而更接近成功的目標(biāo)。

在現(xiàn)實(shí)生活中,多想幾步,也就是說(shuō)具有一定的遠(yuǎn)見(jiàn)卓識(shí),將會(huì)給我們帶來(lái)極大的、意想不到的價(jià)值。

(2)馬上行動(dòng),成功源于行動(dòng)。如果沒(méi)有行動(dòng),再好的計(jì)劃也只能停留在原地,再美麗的夢(mèng)想都等于零。萬(wàn)事始于心動(dòng),成于行動(dòng),行動(dòng)是成功的階梯。只有行動(dòng)才能將心中的想法轉(zhuǎn)變?yōu)楝F(xiàn)實(shí),進(jìn)而實(shí)現(xiàn)自己的宏偉目標(biāo)和理想。

行動(dòng)的力量無(wú)比巨大,它可與天比高,與地比厚,世界萬(wàn)物都始于行動(dòng),有了行動(dòng),你才可能成功地完成每一件事。只要我們?cè)敢庑袆?dòng),那么成功就會(huì)屬于我們。

(3)立馬做第一個(gè)吃螃蟹的人。魯迅先生曾稱(chēng)贊過(guò):“第一個(gè)吃螃蟹的人是很值得佩服的,不是勇士誰(shuí)敢去吃它呢?”凡是敢于第一個(gè)吃螃蟹的人都具有冒險(xiǎn)的精神,正是這種精神,始終是科學(xué)發(fā)現(xiàn)的最重要的動(dòng)力。美洲發(fā)現(xiàn)新大陸,是哥倫布海上探險(xiǎn)的結(jié)果;鐳的發(fā)現(xiàn),居里夫人的貢獻(xiàn)使原子彈爆炸成為可能。

要做第一個(gè)吃螃蟹的人,就得對(duì)任何事情都不能輕易說(shuō)“不”,因?yàn)楹芏嗍虑橹挥凶约喝プ隽?才能得知其中的奧秘;只有大膽去做了,才會(huì)明白原來(lái)有些事情并非高不可攀。正如福特汽車(chē)總裁菲利普所言:“假如缺乏冒險(xiǎn)精神,今天就沒(méi)有了電源、鐳射光束、飛機(jī)、人造衛(wèi)星或汽車(chē)。成千上萬(wàn)的成果將不可能存在?！彼?第一個(gè)吃螃蟹的人是這個(gè)世界上不可缺少的人。要牢記“空談?wù)`國(guó),實(shí)干興邦”,我們做人就要爭(zhēng)做第一個(gè)吃螃蟹的人。

Functionality applications of diamond

WANG Guang-zu,WEI Feng-wu
(Zhengzhou Research Institute for Abrasives&Grinding,Zhengzhou 450013,Henan)

Diamond,in the industry and science and technology,is used overall as the engineering material and the functional material.A brief introduction of diamond in medical science,microelectronic system of mechanics,optics,detector and sensor,acoustics, magnetic recording system,field emission monitor,electronic information,thermology, high temperature and high frequency semiconductor and electrochemistry as well as detection of radiation science etc.is made in this article,and the functionality applications of diamond are seen by the offered information generally.For the sake of a promising future of the diamond functionality applications in concrete solutions,values of being a leader with enthusiastic and perseverant steps,efficient exertion in time,actions paving the way for success and being the first mover for brave exploration are given.

nanodiamond;CVD diamond;functionality application

TQ164

A

1673-1433(2013)06-0031-06

2014-02-22

王光祖(1933-),男,教授,長(zhǎng)期從事超硬材料及制品的研發(fā)工作,出版多部專(zhuān)著,發(fā)表上百篇學(xué)術(shù)論文