人造金(jin)剛石(shi)是在(zai)實驗室里模擬天(tian)然(ran)鉆石(shi)的(de)(de)自然(ran)形(xing)成環境培育而(er)成的(de)(de)。兩(liang)者在(zai)晶體結構完整性(xing)、透明度、折射率、色散等方面均無明顯差異。人造金(jin)剛石(shi)具有天(tian)然(ran)鉆石(shi)的(de)(de)一切優異的(de)(de)物(wu)理化學(xue)(xue)(xue)性(xing)能，使得在(zai)精(jing)密(mi)切削(xue)刀具、耐磨器件(jian)、半導(dao)體及(ji)電(dian)子(zi)器件(jian)、低磁探測、光(guang)學(xue)(xue)(xue)窗口、聲學(xue)(xue)(xue)應用、生物(wu)醫學(xue)(xue)(xue)、珠寶首飾等方面得到(dao)廣泛應用。

人造金剛石(shi)的應用前景

· 切(qie)削材料(liao)和超精密加工(gong)領(ling)域

    金(jin)剛(gang)石是目前自然界中硬度最高的(de)礦物。除此之外(wai)，還具有(you)高熱傳導率、高耐磨(mo)性(xing)和化學穩定性(xing)。這(zhe)些特征決定了金(jin)剛(gang)石也(ye)可以是一(yi)(yi)種優(you)越的(de)切削材料。通過人(ren)工培育的(de)大(da)單(dan)晶金(jin)剛(gang)石，可以進一(yi)(yi)步實現超精密加工，既能降低成本又(you)能提高技術。 

    金剛石具有從X射線到(dao)微(wei)波整個波段高(gao)的透過率(lv)(lv)，是一種優異的光(guang)(guang)學材料(liao)。比如MPCVD單晶金剛石(shi)可以做成(cheng)大功率(lv)(lv)激光(guang)(guang)器件的輸(shu)能窗口，還可以做成(cheng)宇宙探測器的鉆石(shi)窗。金剛石(shi)兼(jian)具耐(nai)熱沖擊、耐(nai)化學腐(fu)蝕及耐(nai)機(ji)械磨(mo)損等(deng)特性，在紅(hong)外窗口、微(wei)波窗口、高(gao)功率(lv)(lv)激光(guang)(guang)窗口、熱成(cheng)像系統窗口、X射線窗口等(deng)方面都有(you)相應(ying)研究和(he)應(ying)用。 

    含有氮空(kong)位缺陷的金剛石具有獨特(te)的量子特(te)性(xing)，能夠在室溫(wen)下(xia)用特(te)定光束對(dui)NV色(se)心進行操(cao)作，具(ju)有相干時間長(chang)、熒(ying)光強(qiang)(qiang)度穩定、發光強(qiang)(qiang)度高(gao)的特(te)(te)點，是(shi)極具(ju)研(yan)究(jiu)(jiu)價(jia)值和前景的量子比(bi)特(te)(te)載體之一。大量的研(yan)究(jiu)(jiu)機構圍繞NV色(se)心進行了實(shi)驗研(yan)究(jiu)(jiu)，在NV色(se)心的共聚焦掃描成像、低溫及室(shi)溫下NV色(se)心的光譜研(yan)究(jiu)(jiu)、利用(yong)(yong)微波和光學方(fang)法操(cao)控自旋取得了大量的研(yan)究(jiu)(jiu)成果，在高(gao)精(jing)度磁場測量、生物成像、量子探測等方(fang)面取得了成功的應用(yong)(yong)。
例如金(jin)剛石探測(ce)(ce)器不懼極(ji)端惡劣(lie)的輻射環境(jing)和環境(jing)雜光，無需(xu)加(jia)濾光片(pian)，而(er)且可以在室溫和較(jiao)高的溫度下正(zheng)常工作，不需(xu)要像硅探測(ce)(ce)器那樣外加(jia)冷卻系(xi)統。

· 聲(sheng)學應用領域

    金剛石具有彈性(xing)模量高(gao)、密度(du)低和(he)強度(du)高(gao)的(de)優(you)點(dian)，非常適合用(yong)于(yu)制作高(gao)頻、大功率(lv)聲表面波器件(jian)，是制作高(gao)保真聲學器件(jian)的(de)理想材料(liao)。

· 醫療行業應用領域

    金剛石的(de)高硬度、高耐磨性、低摩擦(ca)系數(shu)及良(liang)好(hao)的(de)生(sheng)物(wu)相容性，使其廣泛應(ying)用(yong)于假體關節(jie)、心臟瓣膜、生(sheng)物(wu)傳感器等方面，成(cheng)為(wei)現代醫療行業不可或缺的(de)重要材料。

· 珠寶首(shou)飾(shi)方面的應用

    人造金剛石(shi)在(zai)顏色、凈度等方面(mian)可以與天(tian)然(ran)金剛石(shi)媲美，并且在(zai)生產成本和價格方面(mian)具有明(ming)顯優(you)勢。2018 年(nian)，權威(wei)(wei)機構(gou)FTC將(jiang)人工(gong)合成的(de)培育(yu)鉆(zhan)石(shi)(shi)(shi)納入鉆(zhan)石(shi)(shi)(shi)類，培育(yu)鉆(zhan)石(shi)(shi)(shi)便開啟(qi)了對天(tian)然(ran)鉆(zhan)石(shi)(shi)(shi)替(ti)代(dai)的(de)時代(dai)。隨(sui)著培育(yu)鉆(zhan)石(shi)(shi)(shi)分級標準(zhun)的(de)規(gui)范與完善，培育(yu)鉆(zhan)石(shi)(shi)(shi)在(zai)消(xiao)費(fei)(fei)市(shi)場(chang)的(de)認可度逐(zhu)年(nian)提高(gao)(gao)，近兩年(nian)全(quan)球培育(yu)鉆(zhan)石(shi)(shi)(shi)行業(ye)迅速(su)增(zeng)長。根據美國管理咨詢(xun)公司(si)和(he)安特衛普世界鉆(zhan)石(shi)(shi)(shi)中心聯合發(fa)布的(de)第十期(qi)全(quan)球鉆(zhan)石(shi)(shi)(shi)行業(ye)年(nian)度報告，2020年(nian)世界天(tian)然(ran)鉆(zhan)石(shi)(shi)(shi)總產量下降到1.11億克(ke)拉，下降20%，培育(yu)鉆(zhan)石(shi)(shi)(shi)產量達到600萬至700萬克(ke)拉，其中50%至60%的(de)培育(yu)鉆(zhan)石(shi)(shi)(shi)是(shi)在(zai)中國采用高(gao)(gao)溫高(gao)(gao)壓技術生產的(de)，印度和(he)美國成為CVD的(de)主(zhu)要生產中心。隨(sui)著國內外(wai)知名鉆(zhan)石(shi)(shi)(shi)品牌運營商和(he)權威(wei)(wei)鑒定檢測機構(gou)的(de)加入，培育(yu)鉆(zhan)石(shi)(shi)(shi)行業(ye)發(fa)展(zhan)逐(zhu)漸(jian)規(gui)范，消(xiao)費(fei)(fei)者認可度逐(zhu)年(nian)提高(gao)(gao)，培育(yu)鉆(zhan)石(shi)(shi)(shi)在(zai)首飾(shi)消(xiao)費(fei)(fei)市(shi)場(chang)具有(you)較大的(de)發(fa)展(zhan)空間(jian)。 

    另外，美國LifeGem公(gong)司(si)已經實現了“紀念鉆(zhan)石(shi)”生長技術，以(yi)人體中的碳為(wei)原料（比如頭發、骨灰）做成(cheng)鉆(zhan)石(shi)，用(yong)一種特殊的方式幫(bang)助家(jia)(jia)人表達對失去(qu)親人的愛，賦予(yu)培育(yu)鉆(zhan)石(shi)特殊的意(yi)義。最近，美(mei)國一家(jia)(jia)熱銷(xiao)的沙拉醬品(pin)牌Hidden Valley Ranch還(huan)聘請地質(zhi)學家(jia)(jia)兼LifeGem創(chuang)始人Dean Vandenbisen用(yong)調味(wei)品(pin)制(zhi)作(zuo)出一顆兩克拉的鉆(zhan)石(shi)，并進行拍賣。然而，這些都(dou)是宣(xuan)傳(chuan)噱頭，并無大規模推(tui)廣生產意(yi)義。 

· 超(chao)寬禁帶半導體領域(yu)

    前面(mian)的應用(yong)大家(jia)都很(hen)容易理解，今天想重點講一講金剛石在(zai)半導體上的應用(yong)。美國的勞(lao)倫斯(si)利弗莫爾(er)國家(jia)實(shi)驗(yan)室的科學家(jia)在(zai)APL（Applied Physics Letters）上發表(biao)了(le)一篇論文，主要觀點是(shi)高品質的CVD金(jin)剛石可用(yong)于(yu)“超寬禁帶半導(dao)體”，并將極大推動電(dian)網、機車、電(dian)動車行業的發展。
“超寬禁帶”可以這樣通俗簡(jian)單(dan)的了解(jie)一(yi)下：
1、在(zai)固體中(zhong)，電子(zi)的(de)能(neng)量值是(shi)不同(tong)的(de)，而且都分布在(zai)不同(tong)的(de)“能(neng)帶(dai)”上。有(you)些電子(zi)被束縛了(le)，叫(jiao)做(zuo)(zuo)“價電子(zi)”；有(you)些能(neng)自(zi)由地跑(pao)來跑(pao)去的(de)，叫(jiao)做(zuo)(zuo)“自(zi)由電子(zi)”。
2、價電子所在(zai)能帶(dai)(dai)與自由電子所在(zai)能帶(dai)(dai)之間(jian)的間(jian)隙，被稱為“禁(jin)帶(dai)(dai)”或“帶(dai)(dai)隙”。
3、價電子要成為(wei)自由電子，就(jiu)(jiu)需要額外(wai)獲得能(neng)量(liang)。這種能(neng)量(liang)，就(jiu)(jiu)是“禁帶寬度(du)”。
4、我們之前用(yong)的(de)材料硅（Si），禁(jin)帶寬度是1.12eV。
5、后來開(kai)發出了(le)一些材(cai)(cai)料，增大了(le)禁帶寬(kuan)度，被統稱為“寬(kuan)禁帶半(ban)導體材(cai)(cai)料”，可以達到(dao)2.3eV以上，比如碳化硅（SiC）。
6、高品質(zhi)的CVD金(jin)剛石就具有這種“超寬禁帶”。
在半(ban)導體中，有三個很重要的因素：
（1）載流子遷移率，就是電子跑得快不快；
（2）擊穿場(chang)強(qiang)，反映的是(shi)耐電強(qiang)度；
（3）導熱性。
    CVD技(ji)術的(de)(de)金剛石，作為(wei)高(gao)品質的(de)(de)單晶(jing)體金剛石，在上面這三個(ge)方(fang)面的(de)(de)表(biao)現極其優秀(xiu)。目(mu)前(qian)已經在MPCVD法制備的(de)(de)大尺寸單晶(jing)金剛石上獲得高(gao)達1150m²/V的遷移率。高擊穿電壓、高熱導率自不必多說。
    科學家Paulius Grivickas說：“我(wo)們通過對高純度的(de)CVD鉆(zhan)石進行鐳(lei)射(she)處理，爭取能‘定制’其中(zhong)的(de)載流子(zi)生命周(zhou)期(qi)。”
在半(ban)導(dao)體技術(shu)中，有一(yi)個關鍵的設備，叫“光(guang)(guang)導(dao)開(kai)關”（photoconductive switch），其(qi)作(zuo)用(yong)可(ke)以理(li)解為(wei)“利用(yong)激光(guang)(guang)脈沖進(jin)行觸發(fa)”。以前(qian)，光(guang)(guang)導(dao)開(kai)關的(de)(de)關鍵材(cai)料(liao)是硅(gui)，但是用(yong)硅(gui)做原材(cai)料(liao)的(de)(de)開(kai)關龐大且笨重。Paulius認(ren)為(wei)，用(yong)CVD金剛石做光(guang)(guang)導(dao)開(kai)關材(cai)料(liao)的(de)(de)話，“大概(gai)能縮到(dao)指甲蓋這么大小”。這項技術對(dui)于培育鉆(zhan)石行業(ye)（尤其(qi)是CVD）的(de)(de)發(fa)展是有積極意義的(de)(de)。一旦以金剛石為(wei)基體(ti)的(de)(de)寬禁(jin)帶半(ban)導(dao)體(ti)可(ke)以大規模應用(yong)，那么目前(qian)世界上(shang)的(de)(de)硅(gui)基半(ban)導(dao)體(ti)產業(ye)將(jiang)(jiang)面臨巨大變(bian)革(ge)，金剛石寬禁(jin)帶半(ban)導(dao)體(ti)將(jiang)(jiang)會引領下一次半(ban)導(dao)體(ti)產業(ye)革(ge)命(ming)。 

    總(zong)之(zhi)，人(ren)造金(jin)剛(gang)石作為珠寶(bao)的(de)發展(zhan)空(kong)間可(ke)以(yi)預見，然而，它(ta)的(de)科(ke)技應用(yong)發展(zhan)無(wu)限且需求可(ke)觀。從長(chang)遠眼光看，人(ren)造金(jin)剛(gang)石行業要想長(chang)遠穩(wen)定發展(zhan)，必須開發成為一(yi)(yi)種生(sheng)活(huo)、生(sheng)產的(de)必需品，最終應用(yong)在傳(chuan)統工業及高(gao)科(ke)技領域。只有盡力開發它(ta)的(de)使用(yong)價(jia)值才能(neng)最大范圍的(de)發揮它(ta)的(de)各項優異性能(neng)。傳(chuan)統生(sheng)產不斷，需求就會不斷。隨著(zhu)金(jin)剛(gang)石合成技術的(de)進一(yi)(yi)步發展(zhan)，其重(zhong)要性已經被一(yi)(yi)些媒體上升到了(le)“國(guo)家戰略”的高度(du)。在天(tian)然鉆石日(ri)益稀缺、供應受限的今(jin)天(tian)，人造金剛(gang)石行業或將(jiang)扛起這面戰略大旗(qi)。