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責任與文化

小料科普 | 多彩的人工晶體系列——金剛石

來源:中材高新  發布時間:2020-07-27

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我們都知道,物質是由分子和原子構成的,如果這些分子和原子在空間上按照一定的規律整齊排列,構成的物質就是晶體;反之,如果排列是雜亂無序的,則構成的就是非晶體。生活中常見的晶體有冰、水晶、食鹽等,非晶體則有玻璃、石蠟等。

因為晶體從微觀到宏觀結構上的高度有序,使得它具有一系列優異甚至獨特的物理化學性能。大自然中的天然晶體,無論是品種、儲量還是質量都非常有限,遠遠無法滿足當代社會種類繁多的苛刻需求,人工晶體制造技術應運而生。

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人造金剛石

作為光、電、聲、磁、熱、力等等多種能量形式轉換媒介的信息功能材料,人工晶體和二十世紀的世界四大發明(激光、原子能、半導體和計算機)密切相關,被譽為新材料領域的璀璨明珠,是高新技術和現代軍事技術不可或缺的關鍵戰略材料,從備受矚目的“半導體芯片”,到人們出行的地鐵、機場安檢以及醫療的PET/CT、移動通信、LED照明,人工晶體滲透到國民經濟的各個領域,默默無聞地發揮著關鍵的“核芯”作用。

晶體的種類繁多,性能各異,通??梢苑譃槌簿w、半導體晶體、激光晶體、非線性光學晶體、閃爍晶體、壓電晶體、熱釋電晶體、聲光/電光/磁光晶體、寶石晶體等十多種,對應的應用場景更是琳瑯滿目、異彩紛呈。

“多彩的人工晶體”系列科普短文,將分門別類介紹給大家。

系列一 金剛石

“鉆石恒久遠,一顆永流傳”。很多人認識金剛石,是從首飾開始的,但這僅僅是它的用途之一,遠不是全部。

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金剛石就是我們常說的鉆石,是地球上發現的最堅硬物質,沒有之一。它是碳的同素異形體(其它還有石墨、碳60、石墨烯、碳納米管等)。晶體學上,金剛石屬于對稱性較高的面心立方結構,每個碳原子都以SP3雜化軌道與另外四個碳原子形成共價鍵,構成正四面體,是典型的單質半導體結構(與硅、鍺完全相同)。

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自然界能夠被發現和開采的鉆石極其稀少,通常每4立方米富礦礦石中才可得到總重1克拉的細碎金剛石,晶瑩剔透、無瑕疵的大尺寸鉆石更為罕見。

20世紀50年代以來,人們研究開發出多種人工合成金剛石的方法,主要有高溫高壓法(HTHP)、化學氣相沉積法(CVD)、爆轟法等?!?nbsp; 1955年,GE公司采用高溫高壓法首次合成金剛石晶體?!?上世紀80年代,全世界掀起了CVD金剛石研究熱潮,開發了熱絲法(HFCVD),微波等離子體(MPCVD)以及直流電弧等離子體噴射CVD等多種制備方法,為后期的應用奠定了基礎。

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天然金剛石晶體

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 高溫高壓合成金剛石

由于金剛石極其特殊的晶體結構,使得它具有諸多優異的物理化學特性,不僅硬度最高,而且具有最高的熱導率,透過光譜最寬,聲速最快,以及優異的半導體性能。

利用金剛石極高的硬度,可以制備成各種工具,在加工石材、有色金屬、難加工復合材料(如碳纖維復合材料)等方面發揮著不可替代的作用,可實現高效、高精度、環保的加工。

利用其高熱導性,金剛石可以作為高功率密度電子器件(高密度集成電路、激光二極管陣列、固體微波功放等)的封裝材料,大大提高器件的性能和使用壽命。

金剛石具有優異的紅外光學性能,可以作為大功率激光器的輸出窗口,使用壽命幾乎永久,并且熱透鏡效應極小。
摻硼金剛石(BDD)具有寬電勢窗口和高析氧電位,可用于電化學處理有機廢水,尤其是難降解的有機廢水,是高效、節能、綠色、無二次污染的環保技術。

我國是開展人工合成金剛石較早的國家之一。中國建材集團所屬人工晶體院(當時為非金屬礦研究所)于1963年成功合成了我國第一顆人造金剛石。上世紀七十年代,人工晶體院開始研究金剛石工具,并且于八十年代在國內最早開發出金剛石鋸,應用于石材的切割加工,帶動了石材加工和其它加工行業的技術革命,一舉填補了國內空白。

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中國建材集團晶體院大樓

在國家863計劃大力支持下,人工晶體院承擔了有關CVD金剛石技術的研究項目,并取得令人矚目的成績。90年代人工晶體研究院已經在CVD金剛石技術的研究中處于國內領先水平,最早在國內開發出工業級CVD金剛石制備技術、CVD金剛石的激光切割加工技術以及多種工具應用產品。由于出色完成了國家863計劃項目,人工晶體院于1997年和1998年分別獲得部級科技進步一等獎和國家科技進步二等獎。

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光學級金剛石厚膜

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石材切割鋸片

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BDD薄膜

人工晶體研究院還在光學、聲學、電化學應用,以及單晶外延技術等方面開展了研究,并與其他單位合作,共同完成了金剛石在聲學方面的應用研究,獲得2006年北京市科技進步一等獎。結合當前疫情形勢,人工晶體院又開展了BDD膜在有機廢水處理和高效便捷無污染消殺產品的關鍵材料和部件研發。

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中國建材集團晶體院新基地大樓

放眼21世紀,金剛石將是最耀眼的明星材料,人們的物質文化生活也將因它而變得更加美好。

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