郑州磨料磨具磨削研究所王光祖、

华中金刚石工具制造有限公司王芸、

河南伊格尔磨料磨具有限公司秦宇/文

金刚石是集物理、化学和机械等优良性能于一身的材料。过去几十年，金刚石极高的硬度和优良的耐磨性得到了很好的挖掘，使其以磨料、磨具、刀具等形式广泛应用于机械、石油、汽车、航空航天、半导体加工等领域，起到了不可替代的作用。实际上，金刚石在电学、光学、热学、声学等诸多方面也具有优异性能，但尚未得到有效开发。

金刚石具有良好的电学性质，超宽的带隙、超高的击穿场强、高电子和空穴迁移率，有望成为终极半导体。在声学上，金刚石在所有材料中具有最高的表面声波速度和极高的杨氏模量；在光学上，金刚石可透过从远红外到紫外小于带隙能量的光子；在热学上，其导热性超过铜。因此，金刚石具有跨领域应用的潜力。

核电池的原型可追溯到英国物理学家亨利·莫斯利1913年的实验，他演示了利用辐射制造电流的过程。在1950至1960年代，航空航天业曾考虑将莫斯利的研究应用于航天器上，以提升长期动力供应。当时，也有公司在研究将核电池应用在无线电接收器等方面。

然而，这类核电池仍存在一定的安全性和导电性等局限。在这方面，合成金刚石的出现为其提供了一个较好的解决方案。金刚石是目前所知最硬的物质之一，可以通过特殊工艺使其具有放射性或充当半导体。

核电池由核废料的β衰变提供动力。β衰变是核原子（由质子和中子构成）为达到稳定的质子与中子比例时，释放多余粒子的过程，同时会产生大量β粒子（高能量电子或正电子）。

β粒子撞击半导体材料可产生电流，进而转化为电能。但由于β粒子是从不同方向上发射的，能够击中半导体的数量有限，因此产生的电能较小，效率不高。

放射性金刚石电池使用CVD工艺，该技术广泛用于人造金刚石的制造。研究人员对CVD工艺进行调整后，通过添加含有放射性同位素碳-14的放射性甲烷来生成放射性金刚石。内部的核废料充当燃料，在β辐射下，能够获得无须充电的长时间有效电池。

“选择碳-14作为原材料，是因为它发出短程辐射，这种辐射很快被任何固体材料吸收，”尼尔·福克斯教授解释说。

不过，布里斯托团队表示，其放射性电池（含有1克碳-14）提供的功率较低，只有几微瓦，小于典型的AA电池（5号电池）。因此，目前的应用仅限于传感器和起搏器等小型、低功耗设备，还无法用于笔记本电脑或智能手机上。

值得一提的是，布里斯托团队科学家研发的放射性金刚石电池，已被英国公司ARKENLIGHT准备推向市场。该公司的第一款微型电池产品预计在2023年下半年发布。（腾讯新闻）

使用这种技术散热，可以高效率地冷却高功率GaN高电子迁移率晶体管（HEMT），从而使功率放大器在高功率水平下稳定工作。

高频GaN-HEMT功率放大器已被应用于雷达和无线电通信等远程无线电领域，预计还将应用于天气雷达观测局部暴雨，或即将出现的5G毫米波段移动通信协议。对于这些使用微波到毫米波频段的雷达或无线电通信系统，通过提高用于传输的GaN-HEMT功率放大器的输出功率，无线电波能够传播的距离将增大，可扩展雷达的观察范围，实现更远和更高容量的通信。

尽管碳化硅衬底具有相对较高的导热率，但对于输出功率越来越高的器件而言，需要具有更好导热率的衬材料，以有效地将器件热量运送到冷却结构。单晶金刚石具有非常好的导热性——几乎是SiC衬底的5倍——被称为可以有效散热的材料。

为了将单晶金刚石键合到作为冷却材料的器件上，正常的生产过程使用氩（Ar）束去除杂质，但这会在表面形成低密度的受损层，还会削弱单晶金刚石可能形成的键合。此外，使用诸如SiN的绝缘膜用于键合，由于SiN存在热阻，会削弱导热性。

为了防止氩束在金刚石表面形成损伤层，富士通开发了一种技术，在暴露于氩束之前用极薄的金属膜保护表面。为了确保表面是平面的（为了室温下的良好键合），金属膜的厚度需要限制在10nm或更薄。

这种技术被证实可以防止氩束暴露后在金刚石表面形成损伤层，从而提高了键合强度，使得单晶金刚石能够在室温下与SiC衬底键合。

因此，这种技术可以用于生产具有更高输出功率发射器的GaN-HEMT功率放大器。当用于天气雷达等系统时，用于发射器的GaN-HEMT功率放大器有望将雷达的可观测范围提高1.5倍，这样可以更快地检测到能够产生突然暴雨的积雨云，从而为防灾做好准备。（中自网）

作为CPU与散热器之间的填充剂，导热硅脂很重要。常见硅脂导热系数在10W/（m·K）左右。Inex公司推出了一款导热系数高达17W/（m·K）的纳米金刚石硅脂，导热能力翻倍。该硅脂在350℃高温下也可使用。

这款硅脂型号为JP-DX2，号称采用了纳米技术制造的高品质金刚石导热材料，形成了精细分子结构，具备优秀的导热能力，导热系数高达17W/（m·K）。

这是什么概念呢？常见的硅脂导热系数多在10W/（m·K）以内，7~8W/（m·K）的也不少，品质高一点的能达到10~13W/（m·K）左右。当然，当前导热系数最好的还是液态金属，轻松超过70W/（m·K），超过100W/（m·K）的也不少见，是普通硅脂的5~10倍的水平。

纳米金刚石硅脂，导热能力翻倍。作为CPU与散热器之间的填充剂，导热硅脂很重要。常见硅脂导热系数在10W/（m·K）左右。Inex公司推出了一款导热系数高达17W/（m·K）的纳米金刚石硅脂，导热能力翻倍。

除了导热系数翻倍之外，JP-DX2硅脂还具有良好的化学稳定性，不腐蚀、抗氧化、无毒且不易挥发。使用前可存放3年，涂抹之后能用4年。它的使用温度范围也非常宽泛，在-150℃至350℃之间，推荐使用温度是-140℃至340℃，这远远超过了CPU散热所需的温度范围。（快科技）

美国NIMS团队研发了世界上第一个基于金刚石n型沟道驱动的金属氧化膜半导体场效应晶体管（MOSFET）。该成果对于以普通电子器件IC为代表的单片集成化（在一个半导体基板内集成多个器件），实现其耐环境型互补式金属氧化膜半导体（CMOS）集成电路具有重要意义。这也为金刚石在功率电子学中的应用迈出了重要的一步。

金刚石半导体具有超宽禁带（5.45 eV）、高击穿场强（10 MV/cm）、高载流子饱和漂移速度、高热导率（22 W/cm·K）等材料特性，以及优异的器件品质因子。采用金刚石衬底可研制高温、高频、大功率、抗辐射电子器件，克服了自热效应和雪崩击穿等技术瓶颈。在5G/6G通信、微波/毫米波集成电路、探测与传感等领域，金刚石半导体的发展起到了重要作用，尤其是在高温和高辐射（例如靠近反应堆堆芯）等极端环境条件下，金刚石半导体具有很高的性能和可靠性。因此，金刚石半导体被公认为最具前景的新型半导体材料，被世界誉为“终极半导体材料”。

近年来，随着金刚石生长技术、电力电子、自旋电子学以及可在高温和强辐射条件下运行的微机电系统（MEMS）传感器的发展，对基于金刚石CMOS器件的外围电路进行单片集成的需求也在增加。为了利用金刚石的优异性能，实现环境稳定性出色的控制系统的集成电路，高功率化CMOS受到期待。为制造CMOS集成电路，这就需要p型和n型沟道MOSFET。

目前，金刚石半导体工艺相对成熟，但金刚石的N型掺杂是一个世界性难题。多年来，众多研究在理论计算和实验上寻找有利于获得低电阻率n型金刚石的掺杂元素和掺杂方法，但都没有获得良好的效果。很大原因在于以前大多数研究是基于硅单晶掺杂理论。主要的杂质元素有硼、磷、硫、锂等，通过在生长过程中或采取离子注入的方法使各种杂质掺入到单晶金刚石或微晶金刚石薄膜中，但掺杂后的薄膜电导率低，电子迁移率低，难以用作电子器件。例如，氮是金刚石中的深能级杂质，室温激活能为1.7 eV，很难在室温下提供足够的载流子。磷的能级虽然稍浅一点，但它在室温下的导电载流子也不是很强。磷进入金刚石后，很容易与空位复合形成磷空位对，其电子就不易被释放出来。迄今为止，还没有找到一个较合适的施主杂质。从这个角度讲，发展一种新的掺杂理论是当务之急。（DT半导体）

中科院微电子所刘新宇团队在厚膜GaN与多晶金刚石直接键合技术领域取得显著进展。他们不仅攻克了多晶金刚石表面形貌的难题，更在室温下实现了与厚膜GaN的高效直接键合，为晶圆级多晶金刚石键合技术的开发与应用开辟了新的道路。

团队采用了先进的动态等离子体抛光（DPP）技术，将多晶金刚石表面的凸起尖峰高度显著降低到1.2 nm，同时获得了表面粗糙度仅为0.29 nm的光滑表面。在此基础上，结合表面活化键合方法，成功在室温下将370μm厚的GaN与约660μm厚的多晶金刚石衬底实现直接键合，键合率高达92.4%，且该结构能在-55℃至250℃的宽温度范围内稳定工作。

近年来，GaN/金刚石异质集成技术因其在制造高可靠性、大功率密度的GaN基高电子迁移率晶体管（HEMT）方面的巨大潜力而备受关注。晶圆直接键合技术因其界面热导率高和热应力低的优势，在材料与器件集成领域展现出广阔的应用前景。然而，该技术对材料表面的平整度和粗糙度要求极高，这成为制约其进一步发展的关键因素。

目前，虽然单晶金刚石通过化学机械抛光技术（CMP）能够获得较低的表面粗糙度和高平整度，但单晶金刚石的大尺寸生长难题和高昂成本限制了其应用。相比之下，多晶金刚石具有成本低、尺寸大等优点，但其表面形貌的复杂性和不均匀性使得CMP技术难以满足直接键合的要求。同时，厚膜GaN在键合过程中也面临着应力问题，进一步增加了技术难度。

采用的动态入射角度等离子体抛光技术在解决多晶金刚石表面形貌问题上取得了突破性进展。该技术能够在无压力状态下对多晶金刚石进行精细处理，有效降低了其表面粗糙度和凸起尖峰高度。同时，结合原位硅纳米层沉积辅助的离子束表面活化键合方法，实现了厚膜GaN与多晶金刚石的异质集成，且键合率高达92.4%。

利用变温拉曼光谱技术，深入研究了GaN/金刚石键合界面在宽温度范围内的残余应力变化规律。研究发现，常温键合界面存在约200 MPa的残余应力，且随着温度的升高，界面应力呈现出不对称增加的特点。这主要是由于GaN与硅纳米键合辅助层具有相近的热膨胀系数（CTE），而金刚石与硅纳米键合辅助层的CTE差异较大。这种不对称的应力分布进一步证明了非晶硅纳米层作为缓冲层在释放层应力方面的有效性。（中国超硬材料网）

俄罗斯科学家的研究发现，提高金刚石吸附力的途径是利用钨来增强金刚石和过渡金属的结合。金刚石技术研究的一个重要领域是其表面金属化，使金刚石表面具备新的属性，比如超导热性、良好的热稳定性、改进的润湿性，以及保留其原有的物理和化学性质。

不过，金刚石有两个局限性：一是大颗粒金刚石衬底的合成难度较大；二是金属触点与金刚石表面的附着力差。

将金刚石金属化最有效的方法之一是将其与钛、铬、钽、锆等金属烧结。当这些金属与碳接触时，就会形成一层金属碳化物。选择铌的原因是其能够在金刚石表面形成化学稳定的强化薄膜。研究人员试图在金刚石表面创建超导体，并且发现，如果将铌附着在金刚石表面并进行加热，在加热过程中就会出现相变。加热后，薄膜会转化为Nb₂C。进一步加热超过1200℃，就可以形成碳化铌。

碳化铌的稳定晶格取决于碳缺陷的密集度（在实验室中碳缺陷较为常见）。理论计算表明，通过在金刚石表面合成碳化铌的方法可以获得晶格参数接近无缺陷材料的优质碳化铌。碳化铌的超导特性计算表明，在1940℃的高温下会发生超导转变，这与实验测量值接近。结果还表明，实验获得的铌薄膜质量很高。

值得注意的是，与其他铌基合金相比，所获得的碳化铌膜中低密度的缺陷能够带来足够的电子扩散值。这种特征再加上观测到的超导特性，对研发电子探测设备具有实际意义。研究人员证实，获得的碳化铌层具有超导特性。

如果将这种薄膜覆盖在金刚石表面，利用其高导热性，就有可能研发出超灵敏的探测器。金刚石的高导热性将有助于检测信号，而且其速度比其他材料快得多。（上海有色网）