中國粉體網(wǎng)訊  金剛石,，素有“硬度之王”的美譽,，在材料科學(xué)領(lǐng)域占據(jù)著舉足輕重的地位,。依據(jù)晶體結(jié)構(gòu)差異,，金剛石可細(xì)分為單晶金剛石與多晶金剛石,，這兩類材料雖具備諸多共性,，但微觀結(jié)構(gòu)的不同致使它們在性能表現(xiàn)、制備手段以及應(yīng)用范疇等層面呈現(xiàn)出顯著區(qū)別,。

微觀結(jié)構(gòu)差異

單晶金剛石擁有高度規(guī)整,、近乎完美的晶體結(jié)構(gòu)。從原子尺度來看,，碳原子呈嚴(yán)密有序的三維周期性排列,，晶格完整連貫。整個晶體由單一晶核萌芽,，遵循特定結(jié)晶學(xué)方向穩(wěn)步生長,，全程不受晶界干擾。這使得電子云分布均勻?qū)ΨQ,，化學(xué)鍵能恒定且強(qiáng)大,，維系著物理性質(zhì)在宏觀層面的極致均一性。

圖左為單晶金剛石,，右為多晶金剛石

相較之下,，多晶金剛石恰似一幅由無數(shù)微小“晶體拼圖”拼合而成的“微馬賽克”畫卷。它由眾多細(xì)小的納米級小顆粒聚集而成,，這些小顆粒的晶體結(jié)構(gòu)與單晶金剛石類似,，但它們的排列無序，位向不一致,，顆粒間通過不飽和鍵結(jié)合,，存在明顯的晶界，晶體結(jié)構(gòu)不均勻,，缺陷相對較多,。

物理性能差異

硬度與耐磨性

單晶金剛石是自然界中硬度最高的物質(zhì)之一，摩氏硬度為10,，具有極高的耐磨性,，刀刃可達(dá)到原子級的平直度及鋒利度，切削時能將刀刃的完美狀態(tài)復(fù)制在被加工物上,，加工出光潔度極高的鏡面,，適用于超薄切削和超精密加工。

多晶金剛石：硬度稍低于單晶金剛石,，但仍具有優(yōu)異的耐磨性能,，且其獨特的韌性和自銳性使其在研磨和拋光過程中,，粗顆粒會破碎成更小的顆粒，不斷露出新的切削刃,，既保證了樣品表面的磨拋質(zhì)量,，又提高了研磨切削效率，更適合研磨表面由不同硬度材料構(gòu)成的工件,。

熱導(dǎo)率與熱穩(wěn)定性

單晶金剛石：室溫下熱導(dǎo)率高達(dá)2000 W/(m·K)以上,，熱導(dǎo)率基本來自碳原子振動即聲子的傳播，其高度有序的晶格結(jié)構(gòu)幾乎不存在晶界散射的影響,，能在高溫高壓環(huán)境下保持穩(wěn)定的物理和化學(xué)性質(zhì),，可應(yīng)用于大功率半導(dǎo)體散熱、激光設(shè)備溫控等領(lǐng)域,。

多晶金剛石：熱導(dǎo)率雖因晶界散射有所降低,，但在特定溫度區(qū)間內(nèi)，晶界對聲子散射路徑的干擾可轉(zhuǎn)化為優(yōu)勢,，實現(xiàn)對熱導(dǎo)率的調(diào)控,，可作為半導(dǎo)體功率器件散熱的熱沉應(yīng)用，其沉淀技術(shù)水平相對容易實現(xiàn),，制備成本也更具優(yōu)勢,。

光學(xué)性能

單晶金剛石：光學(xué)折射率高，吸收系數(shù)極低,，光線穿透時損耗極小,，打磨成型后可用于紅外光學(xué)窗口、高端顯微鏡物鏡等,，CVD法制備的高質(zhì)量單晶金剛石可做到完全無色透明,，從紫外到紅外以及微波范圍都有優(yōu)良的透過性，理論透過率高達(dá)71.6%,，還可用作性能優(yōu)異的晶體拉曼材料,。

多晶金剛石：因晶界散射，光學(xué)均勻性受限,，但經(jīng)特殊工藝優(yōu)化晶粒尺寸,、降低晶界影響后，可在部分對成本敏感,、光學(xué)精度要求相對溫和的照明,、顯示器件領(lǐng)域得到應(yīng)用,。

制備工藝差異

單晶金剛石：

高溫高壓法（HTHP）：在高溫（1200-2000℃）,、高壓（5-6 GPa）及金屬觸媒的作用下，使石墨原料中的碳原子重新排列形成單晶金剛石,，該方法可產(chǎn)出大顆粒寶石級單晶,，但設(shè)備造價高，操作復(fù)雜，且晶體尺寸和生長速率受工藝限制,。

化學(xué)氣相沉積法（CVD）：在低壓高溫的腔室中,，利用等離子體、熱絲等激活含碳?xì)怏w,，促使碳原子逐層沉積在襯底上生長出單晶金剛石,，這種方法制備的晶體純度高，可精準(zhǔn)調(diào)控生長參數(shù),，適合半導(dǎo)體級單晶的批量生產(chǎn),，但生長速度相對較慢。

多晶金剛石：

直接轉(zhuǎn)化法：將石墨粉與金屬粘結(jié)劑混合,，經(jīng)短時高溫高壓燒結(jié),，使石墨快速轉(zhuǎn)化為多晶金剛石，該工藝簡單,、成本低,，可快速制造塊狀、異形多晶產(chǎn)品,，常用于工業(yè)刀具的生產(chǎn),。

CVD法：通過調(diào)整沉積氣壓、溫度,、氣體流量等參數(shù),，促使大量晶核生成并生長，從而得到多晶金剛石,，可靈活控制晶粒尺寸和晶界特性,，用于刀具涂層、微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）精細(xì)部件等領(lǐng)域,。

應(yīng)用領(lǐng)域多元化

單晶金剛石：

（一）半導(dǎo)體領(lǐng)域：作為理想的襯底材料,，其寬禁帶、高載流子遷移率等特性有助于晶體管,、功率模塊突破高頻,、高壓運行瓶頸，推動5G基站,、電動汽車動力系統(tǒng)芯片等的革新,。

（二）光學(xué)儀器制造：用于制造高精度的光學(xué)窗口、透鏡等,，如紅外探測器,、太空望遠(yuǎn)鏡等，可提高設(shè)備的光線捕捉和解析能力,。

（三）超精密加工：如制造切削工具,，可實現(xiàn)對材料的高精度,、高效率加工，在加工有色金屬時,，表面粗糙度可達(dá)Rz0.1-Rz0.05μm,，被加工工件的形狀精度控制在50nm以下。

多晶金剛石：

（一）研磨拋光：作為精密磨料,，廣泛應(yīng)用于藍(lán)寶石晶片,、碳化硅晶片、功能陶瓷等硬脆材料的精磨和拋光,，能在保證加工質(zhì)量的同時提高效率,。

（二）電子封裝：多晶金剛石薄膜可作為散熱基板，解決芯片發(fā)熱問題,，為電子產(chǎn)品的輕薄化和性能提升提供支持,。

（三）半導(dǎo)體散熱：多晶金剛石膜可作為半導(dǎo)體功率器件散熱的熱沉，提高器件的散熱性能,，保證其穩(wěn)定運行,。

結(jié)語

現(xiàn)階段，在單晶金剛石的研究方向上,，科研團(tuán)隊著重攻克兩大難題,，一是降低生產(chǎn)成本，實現(xiàn)大規(guī)模量產(chǎn),，二是探索大尺寸單晶金剛石的生長方法,；與此同時，還積極開展新型摻雜技術(shù),、缺陷調(diào)控技術(shù)的探索,，力求挖掘更多潛在性能。對于多晶金剛石而言,，研發(fā)工作聚焦于對晶界結(jié)構(gòu)進(jìn)行智能化設(shè)計,，通過精準(zhǔn)調(diào)控，使多晶金剛石在既定方向上優(yōu)化性能,，滿足特定工業(yè)需求,。隨著科技不斷進(jìn)步，單晶金剛石與多晶金剛石必將持續(xù)發(fā)揮關(guān)鍵作用,，助力更多未知技術(shù)創(chuàng)新得以實現(xiàn),。

參考來源：

鄭宇亭：金剛石表面狀態(tài)控制及應(yīng)用基礎(chǔ)研究

方嘯虎等：培育大單晶金剛石的現(xiàn)狀與未來

許坤等：MPCVD法生長曲面多晶金剛石薄膜研究

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（中國粉體網(wǎng)編輯整理/留白）

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