王光祖,衛(wèi)鳳午

(鄭州磨料磨具磨削研究所,河南鄭州450013)

說說金剛石在功能應(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,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)、微電子機械系統(tǒng)、光學(xué)、檢測器和傳感器、聲學(xué)、磁性錄音系統(tǒng)、場發(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)與輻射探測學(xué)等方面的應(yīng)用,做了簡要的闡述。認(rèn)為從所提供的不多信息中,可初略地感覺金剛石其功能應(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,成功源于行動和立馬做第一個吃螃蟹人的理念。

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,都把人類改造自然的能力提高到一個新的水平,材料科學(xué)的每一次重大突破,都會引起生產(chǎn)技術(shù)的革命,給社會生產(chǎn)和人們生活帶來巨大的變化。

從歷史發(fā)展來看,在每一個文明的時代,哪一個國家或地區(qū)首先掌握了這個時代的標(biāo)志性技術(shù),就能在國際競爭中一馬當(dāng)先,大幅度地提高自己的生產(chǎn)發(fā)展水平;哪一個國家率先掌握了先進技術(shù),就能在當(dāng)時的國際競爭格局中取得優(yōu)勢地位。

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,沒有人造金剛石便沒有現(xiàn)代化工業(yè)。盡管如此,相對于金剛石的應(yīng)用潛力而言,到目前為止我們才僅僅開發(fā)利用了一小部分,金剛石的應(yīng)用可以說還處于初級階段。

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,是用作工程材料和功能材料的。自人造金剛石問世后的半個多世紀(jì)里,它主要是用來作為工程材料的,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,半個多世紀(jì)過去了,我們認(rèn)為這僅僅是其應(yīng)用開發(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)的進一步提高和成本下降,金剛石的應(yīng)用范圍和市場將會迅速擴大,尤其是一旦金剛石半導(dǎo)體研制成功,人類將迎來繼鋼鐵時代和單晶硅時代后的更為輝煌的金剛石時代,現(xiàn)在我們己經(jīng)看到了這個時代的黎明曙光。

1 在醫(yī)療中的應(yīng)用

1.1 在醫(yī)學(xué)測溫技術(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)(通常被一個氮原子或一個空位所代替)對于溫度變化非常敏感,這樣的溫度波動對于保持量子比特來說可能是一種技術(shù)障礙,而將之用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的生物體溫度測量卻十分有用。

在哈佛大學(xué)進行的這項研究中,工作者將一個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測量人體細(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。該藥物會讓癌細(xì)胞增長時間變慢或停止,并造成大多數(shù)癌細(xì)胞死亡。然而,它也會讓白血病細(xì)胞對該藥物產(chǎn)生耐藥性,藥物輸入白血病細(xì)胞中會積極排出化學(xué)治療物,包括柔毛霉素。

新加坡國立大學(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特的表面特性,可以很容易釋放,而不堵塞血管。

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

對納米金剛石進一步系統(tǒng)研究和安全性評估,將有望實現(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,不會出現(xiàn)柔毛霉素治療的情況。

美國食品與藥品管理局(FDA)已經(jīng)通過了納米注射混懸液(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輸送化療藥物,且達腦部腫瘤處。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)生機率極低

阿霉素是一種常見的化療劑。直接注射進腫瘤處時,擔(dān)當(dāng)藥物來治療腫瘤。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)定超過單獨注射阿霉素,顯示出附著在納米金剛石上的阿霉素進入到腫瘤中且保留時間更長。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運輸有限量的阿霉素,分散在腫瘤外部。這一運輸方式減少了毒副作用,并確保藥物在腫瘤處的時間更長,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,可以大大縮小原來元件中用于散熱的部件尺寸,這不僅解決了導(dǎo)熱問題,而且也提供了制作超大規(guī)模集成電路的可能。膜層對導(dǎo)體也起到了絕緣保護的作用,避免了元件之間的相互干擾。

阿貢國家實驗室開發(fā)的超納米金剛石(UNCD)薄膜及ADT(Advanced Diamond Technologies Inc.)有關(guān)產(chǎn)品可以用來制備MEMS/NEMS器件。例如射頻振蕩器、加速度計、AFM探針、微電機。

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透過能力,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,不但運行于高速狀態(tài),同時還要經(jīng)受風(fēng)沙雨雪考驗。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)用的各種問題。

美國洛克希德導(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%,該窗口可承受嚴(yán)酷的高速飛行,而不會產(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)存儲的新型金剛石透鏡

從1985年開始,壓縮盤和CD就成了標(biāo)準(zhǔn)的音樂、數(shù)碼相機、計算機數(shù)據(jù)和游戲的存儲介質(zhì),由于對存儲盤的存儲能力要求不斷增加,未來一代的光學(xué)媒介需要有較高的存儲能力。這種趨勢在DVD和它的后續(xù)產(chǎn)品Blu-Ray(藍光雷射)盤上就已顯現(xiàn)出來。金剛石透鏡是下一代存儲技術(shù)的核心部件,它的存儲能力將能達到每張盤1TB(1000GB)以上。

提高數(shù)據(jù)存儲密度的關(guān)鍵,是能制造出能利用短波來工作的小透鏡。通過技術(shù)上的改進來增加盤的存儲容量,即通過減小激光讀出器的波長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)商取得了一項重要的技術(shù)突破,使透鏡將能存儲大量的數(shù)據(jù),以滿足商業(yè)化的需求。這也是金剛石加工技術(shù)在微觀領(lǐng)域的新進展,同時也是金剛石多功能性的展示。

3.3 用于隱身材料

近年來,隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,各種探測手段越來越先進,例如,用雷達發(fā)射電磁可以探測飛機,利用紅外探測器也可以發(fā)現(xiàn)放射紅外線物體。當(dāng)前,世界各國為了適應(yīng)現(xiàn)代化戰(zhàn)爭的需要,提高在軍事對抗中的實力,也將隱身技術(shù)作為一個重要的研究對象,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、坦克、導(dǎo)彈、軍艦上,可以起隱形防腐作用。

為什么超微粒子,特別是納米粒子對紅外和電磁波有隱身作用呢?主要原因有兩點:一方面由于納米微粒尺寸遠(yuǎn)小于紅外和雷達波波長,因此納米微粒材料對這種波長的透過率比常規(guī)材料要強得多,這就大大減少了波的反射率,使得紅外探測器和雷達接收到反射信號變得很弱,從而達到隱身的作用;另一方面,納米微粒材料的表面積比常規(guī)粗粉大了3～4個數(shù)量級,對紅外光和電磁波的吸收率也比常規(guī)材料大得多,這就使得紅外探測器和雷達得到的反射信號強度大大降低,因此很難發(fā)現(xiàn)被探測目標(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。對于上天的材料有一個要求是重量輕,在這方面納米材料是有優(yōu)勢的,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 在檢測器和傳感器中的應(yīng)用

負(fù)責(zé)CMS實驗的CERN科學(xué)家Anna Dabrowski說:我們的CMS實驗室主要依靠人造金剛石的穩(wěn)定性對大型強子對撞機光束和對撞過程中產(chǎn)生的粒子進行監(jiān)測。這種基于金剛石技術(shù)的系統(tǒng),其穩(wěn)定性對于保護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)微型磁力計并通過磁場的強度和方向進行傳感。

利用金剛石的惰性和摻硼傳導(dǎo)能力來生產(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63k Hz。信號噪聲比也隨傳聲速度的增加而增加,而高的號噪聲比才能產(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,可用來制造高檔保真(High-Fidility,簡稱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聲器的高頻振膜。國際上DLC涂層振動膜已接近商品化,DF振動膜與商品化尚有距離。

5.2 空間探測器“旅行者1號”攜金剛石留聲機針駛離太陽系

近日,美國航天局(NASA)噴氣推進實驗室發(fā)表聲明,于1977年發(fā)射的“旅行者1號”探測器發(fā)回的數(shù)據(jù)顯示,它已抵達太陽系邊緣。

這個肩負(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)磁盤唱片,唱片有12英寸厚,鍍金表面,內(nèi)藏金剛石留聲機針。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?是做揚聲器高頻振膜最理想的材料。

一封寫給地外文明的“信”也因其獨有的金剛石留聲機針裝置,將有效使用時間延長到了十億年之后。遠(yuǎn)離太陽系后,“旅行者1號”還將攜帶著地球人的問候以每秒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/功率下的線性頻率響應(yīng),使其成為GHz頻段上射頻微機電器件的理想材料。采用UNCD將射頻濾波器和開關(guān)與性能微電子直接集成來達到增強性能,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足以下要求:

(1)顆粒的長度應(yīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于記錄波長;

(2)粒子的寬度應(yīng)該遠(yuǎn)小于記錄深度;

(3)一個單位的記錄體積中,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 在場發(fā)射顯示器中的應(yīng)用

場發(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,電子較容易通過表面勢壘而成為場發(fā)射的電子,這是作為場發(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,這些都是場發(fā)射陰極的有利條件。因此,用金剛石膜來做冷陰極成為研究熱點之一,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,難以做成直接用來作場發(fā)射顯示器的陰極。目前,用來作場發(fā)射陰極的是類金剛石膜或摻N、H等元素的金剛石膜。如今在大多數(shù)實際研究中,一般采用sp3含量較高的類金剛石膜并摻N、H等元素后作為場發(fā)射材料。

冷陰極場發(fā)射顯示器因為綜合了當(dāng)前各種顯示器的優(yōu)點,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、視聽顯示器件模塊部件的加工等。隨著科學(xué)技術(shù)的進步,IC集成度越來越高,功能模塊化設(shè)計推陳出新,相應(yīng)的加工工序?qū)Τ膊牧瞎ぞ叩囊笠苍絹碓礁?同時也促進了電子信息領(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大部分還是被國外產(chǎn)品所占據(jù),主要是日本DICO、ASAHI、MITSUBISH,美國ITI、MTI、UKAM,韓國EHWA、SHINHAN,瑞士WALL等公司。對此,國內(nèi)已進行了有針對性的開發(fā),其中三磨所做了大量開發(fā)工作,部分產(chǎn)品性能達到或接近國外產(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)計小而緊湊的固態(tài)激光器帶來了新的機遇,這些激光器將具有更強的功率承載能力,并在當(dāng)前無法獲得的波長下進行,因而會開辟新的應(yīng)用領(lǐng)域。金剛石擁有獨特的光學(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)利用硅等材料被開發(fā)出來,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。

由于熱量問題,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)注但卻最普遍的問題是如何處理熱能,尤甚是當(dāng)你希望在小封裝中實現(xiàn)高性能的時候。在高功率拉曼激光器中這一問題尤為突出,因為能夠成為很好的拉曼轉(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數(shù)量級,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。”此外,與目前使用的拉曼旋光晶體相比,金剛石改變波長的能力更強一些,這可能會增加它的應(yīng)用潛力。Chris Wort說:“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、高速計算機CPU芯片多維集成電路、軍用大功率雷達微波行波管導(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,CVD半導(dǎo)體器件的問世是電子技術(shù)的一場革命。目前CVD金剛石二極管、場效應(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,并開始應(yīng)用和進入市場。

11 電化學(xué)和幅射探測學(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,使它在核反應(yīng)、高能粒子加速器的探測器應(yīng)用獲得成功。同時,具有高靈敏度的CVD金剛石放射性探測器在腫瘤的治療、放射性污染檢測和處理中做出了很好的貢獻。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)開始在環(huán)境保護領(lǐng)域如有害污染檢測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),目前正積極開發(fā)利用這種材料的尖端性能,這可能對本世紀(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)計與電路布局,從而影響宇航工業(yè)未來動力電子設(shè)備的結(jié)構(gòu)。

(3)金屬半導(dǎo)體場效應(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。因為金剛石與傳統(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。與電子線路中應(yīng)用的具有競爭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)用具有強勁需求。新型電子器件的應(yīng)用以期改進微波功率電子設(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,用于近場光信息存儲可使光盤的信息容量大為提高,有可能提高到150GB以上。據(jù)稱,理論信息容量可高達550GB。

(5)值得提及的是,金剛石微波透射窗是目前德國和日本正在進行的核聚變試驗的關(guān)鍵部件,也是正在法國建造的國際熱核試驗反應(yīng)堆的重要部件。由于CVD金剛石對微波能的吸收率低,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)如果量子級超高純度單晶質(zhì)CVD金剛石在量子計算機的應(yīng)用獲得成功,將極大地提高計算機的運算速度,快速搜索查找浩如煙海的數(shù)據(jù)庫并建立復(fù)雜的計算模型,就有可能迅速破譯極其復(fù)雜的密碼。目前各國軍事機構(gòu)均不遺余力支持量子計算機的研制,可以說,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)水平一個劃時代的躍進,使金剛石薄膜的表面光潔度達到了電子級硅晶片的水平,開創(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)用的新時代。

(8)在21世紀(jì),世界各國的具有開拓創(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非常重要的成員。納米和納米以下的結(jié)構(gòu)是未來科技發(fā)展的一個重點,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-機械性能,因此,它是一種具有重要理論研究和應(yīng)用研究價值的材料。相信,其開發(fā)應(yīng)用一定會推動人類科技迅速的發(fā)展,給人們帶來更多的物質(zhì)利益和福音。從已開發(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)該初略地感覺到金剛石其功能應(yīng)用的端倪,并預(yù)示著她精彩的未來。為使那光輝燦爛的美景早日到來,我們必須:

(1)一馬當(dāng)先,比別人多想幾步。做事的時候只要能夠比別人多想幾步,你便可超越他人。一個成功者之所以能成功,其實并沒有什么秘訣,只不過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,有時非但不會浪費時間,還會使自己對未來擁有更充分、更全面地了解和把握,從而更接近成功的目標(biāo)。

在現(xiàn)實生活中,多想幾步,也就是說具有一定的遠(yuǎn)見卓識,將會給我們帶來極大的、意想不到的價值。

(2)馬上行動,成功源于行動。如果沒有行動,再好的計劃也只能停留在原地,再美麗的夢想都等于零。萬事始于心動,成于行動,行動是成功的階梯。只有行動才能將心中的想法轉(zhuǎn)變?yōu)楝F(xiàn)實,進而實現(xiàn)自己的宏偉目標(biāo)和理想。

行動的力量無比巨大,它可與天比高,與地比厚,世界萬物都始于行動,有了行動,你才可能成功地完成每一件事。只要我們愿意行動,那么成功就會屬于我們。

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

要做第一個吃螃蟹的人,就得對任何事情都不能輕易說“不”,因為很多事情只有自己去做了,才能得知其中的奧秘;只有大膽去做了,才會明白原來有些事情并非高不可攀。正如福特汽車總裁菲利普所言:“假如缺乏冒險精神,今天就沒有了電源、鐳射光束、飛機、人造衛(wèi)星或汽車。成千上萬的成果將不可能存在?！彼?第一個吃螃蟹的人是這個世界上不可缺少的人。要牢記“空談?wù)`國,實干興邦”,我們做人就要爭做第一個吃螃蟹的人。

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,長期從事超硬材料及制品的研發(fā)工作,出版多部專著,發(fā)表上百篇學(xué)術(shù)論文