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小料科普 | 多彩的人工晶体系列——金刚石

2020-07-26 07:00

来源：澎湃新闻·澎湃号·政务

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多彩的人工晶体系列——金刚石

我们都知道，物质是由分子和原子构成的，如果这些分子和原子在空间上按照一定的规律整齐排列，构成的物质就是晶体；反之，如果排列是杂乱无序的，则构成的就是非晶体。生活中常见的晶体有冰、水晶、食盐等，非晶体则有玻璃、石蜡等。

因为晶体从微观到宏观结构上的高度有序，使得它具有一系列优异甚至独特的物理化学性能。大自然中的天然晶体，无论是品种、储量还是质量都非常有限，远远无法满足当代社会种类繁多的苛刻需求，人工晶体制造技术应运而生。

人造金刚石

作为光、电、声、磁、热、力等等多种能量形式转换媒介的信息功能材料，人工晶体和二十世纪的世界四大发明（激光、原子能、半导体和计算机）密切相关，被誉为新材料领域的璀璨明珠，是高新技术和现代军事技术不可或缺的关键战略材料，从备受瞩目的“半导体芯片”，到人们出行的地铁、机场安检以及医疗的PET/CT、移动通信、LED照明，人工晶体渗透到国民经济的各个领域，默默无闻地发挥着关键的“核芯”作用。

晶体的种类繁多，性能各异，通常可以分为超硬晶体、半导体晶体、激光晶体、非线性光学晶体、闪烁晶体、压电晶体、热释电晶体、声光/电光/磁光晶体、宝石晶体等十多种，对应的应用场景更是琳琅满目、异彩纷呈。

“多彩的人工晶体”系列科普短文，将分门别类介绍给大家。

系列一

金刚石

“钻石恒久远，一颗永流传”。很多人认识金刚石，是从首饰开始的，但这仅仅是它的用途之一，远不是全部。

金刚石就是我们常说的钻石，是地球上发现的最坚硬物质，没有之一。它是碳的同素异形体（其它还有石墨、碳60、石墨烯、碳纳米管等）。晶体学上，金刚石属于对称性较高的面心立方结构，每个碳原子都以SP3杂化轨道与另外四个碳原子形成共价键，构成正四面体，是典型的单质半导体结构（与硅、锗完全相同）。

自然界能够被发现和开采的钻石极其稀少，通常每4立方米富矿矿石中才可得到总重1克拉的细碎金刚石，晶莹剔透、无瑕疵的大尺寸钻石更为罕见。

· 20世纪50年代以来，人们研究开发出多种人工合成金刚石的方法，主要有高温高压法（HTHP）、化学气相沉积法（CVD）、爆轰法等。

· 1955年，GE公司采用高温高压法首次合成金刚石晶体。

· 上世纪80年代，全世界掀起了CVD金刚石研究热潮，开发了热丝法（HFCVD），微波等离子体（MPCVD）以及直流电弧等离子体喷射CVD等多种制备方法，为后期的应用奠定了基础。

天然金刚石晶体

高温高压合成金刚石

由于金刚石极其特殊的晶体结构，使得它具有诸多优异的物理化学特性，不仅硬度最高，而且具有最高的热导率，透过光谱最宽，声速最快，以及优异的半导体性能。

利用金刚石极高的硬度，可以制备成各种工具，在加工石材、有色金属、难加工复合材料（如碳纤维复合材料）等方面发挥着不可替代的作用，可实现高效、高精度、环保的加工。

利用其高热导性，金刚石可以作为高功率密度电子器件（高密度集成电路、激光二极管阵列、固体微波功放等）的封装材料，大大提高器件的性能和使用寿命。

金刚石具有优异的红外光学性能，可以作为大功率激光器的输出窗口，使用寿命几乎永久，并且热透镜效应极小。

掺硼金刚石（BDD）具有宽电势窗口和高析氧电位，可用于电化学处理有机废水，尤其是难降解的有机废水，是高效、节能、绿色、无二次污染的环保技术。

我国是开展人工合成金刚石较早的国家之一。中国建材集团所属人工晶体院（当时为非金属矿研究所）于1963年成功合成了我国第一颗人造金刚石。上世纪七十年代,人工晶体院开始研究金刚石工具，并且于八十年代在国内最早开发出金刚石锯，应用于石材的切割加工，带动了石材加工和其它加工行业的技术革命，一举填补了国内空白。

中国建材集团晶体院大楼

在国家863计划大力支持下，人工晶体院承担了有关CVD金刚石技术的研究项目，并取得令人瞩目的成绩。90年代人工晶体研究院已经在CVD金刚石技术的研究中处于国内领先水平，最早在国内开发出工业级CVD金刚石制备技术、CVD金刚石的激光切割加工技术以及多种工具应用产品。由于出色完成了国家863计划项目，人工晶体院于1997年和1998年分别获得部级科技进步一等奖和国家科技进步二等奖。