文/郑州磨料磨具磨削研究所 王光祖 卫凤午

河南工业大学机电学院崔仲鸣

如果有个人具有阿诺的体型，爱因斯坦的智慧，比卡索的灵感，马友友的琴艺，杰克森的武术，阿里的拳风及乔丹的球技，你一定会说即便是上帝也难创造这样的完人。的确，在人间没有这种奇迹，但在物质世界上帝却恩赐给人类的一个更好梦幻组合——钻石，宋健民博士风趣地说。

任何一种物质，如果有某种极端性质（如金不会生绣）已经难能可贵。但钻石不仅硬度远远超过所有其他物质，更有许多另外的第一，包括抗压强度，散热速率，传声速率，电流阻抗，防蚀能力等等。除此之外，钻石透光性、滑溜程度、低热胀率、负阴电性，乃至人体相容性也是材料之最。由于这些无与伦比的冠军特质，钻石在每一运用领域都会成为不可替代的极品。比如，电子业最有效的散热材料，半导体最好的晶片，通讯元件，最高频率的滤波器，音响最传真的振动膜，飞行物最透光的雷达罩，显示器最密集的电子枪，心脏最不黏的阀片……钻石这些传奇应用并不是天方夜谭，正是这些梦幻的魅力吸引人们对其探索、再探索。

为此，我们也对其产生了浓厚的兴趣，收集资料并节录其核心技术内容，以开阔视野，增长见识。本文从收集到的二十多项应用事例中列出若干，与同仁们共享。

1、高性能金刚石半导体技术

金刚石半导体实现商业化的最大问题是制造P型晶体管容易，制造N型晶体管困难。Akhan半导体公司的创始人AdamKahn提供了“Miraj”金刚石平台作为解决方案，可实现P型和N型器件性能的提升，使得制造出金刚石互补金属氧化物半导体（CMOS）成为可能。该工艺平台的核心技术是通过在P型器件中掺杂磷，在N器件中掺杂Ba和Li，带来与P型和N型性能相当的可调电子器件，并因此发展出金刚石CMOS。

采用CMOS金刚石半导体工艺制造出的首个器件是金刚石PIN二极管，厚度打破记录薄至500纳米，性能比硅高100万倍，还比硅薄100倍，原因在于金刚石的带隙比碳化硅和GsN还要宽，热分析结果显示，该PIN二极管中没有热点，因此没有硅PIN二极管的寄生损失。

Akhan半导体公司还展示了100GHz器件。金刚石具有超低阻值，减少散热需求，还可沉积在硅、玻璃、蓝宝石和金属衬底上，有望重新激发微处理器运算速度的演进，此前，由于无法有效散热，微处理器的运算速度在5GHz左右已徘徊了十年。对于硅材料5GHz是一个极限，因为更高的功耗和热点会将微处理器化为泡沫，而金刚石有着22倍于硅、5倍于铜的热传导能力，能将处理器的运算速度达到新的高度，催生新一代微处理器的产生。金刚石技术还将使摩尔定律得到延续。Akhan展示的100GHz芯片使用的特征尺寸100s纳米，在金刚石面临单原子级之前还有十二代缩小空间，而硅则在2025年达到原子级发展极限。

钻石不单是莫氏硬度表上最坚硬的材料，也有着良好的导热性。与硅相比，钻石保持能量的能力更强。对于智能手机而言，钻石制造的处理器能够减少发热量。

智能手机不是唯一受益者，对于想要缩小设备中电路体积的公司来说，钻石处理器能带来帮助。此外，重工业和航天航空工业，也需要钻石处理器件来抵御高强度的幅射和X射线。

金刚石技术能够提高功率密度，并为消费者创造，更快、更轻、更简单的设备。基于金刚的电子产品可能成为高能效电子产品的行业标准。（光学在线，超硬材料工程，2020.2：54）

2、金刚石可能存储海量数据

科学家发现，如果在钻石上人为地制造出一些缝隙，或许能让他们在量子计算机中发挥用武之地，科学家称，钻石上的缝隙可以用来储存信息，就像CD和CVD光盘上的微型小坑一样。

我们率先可以把钻石作为超密存储的平台，纽约城市学院物理学家希得哈斯·多姆卡尔说。

有一部分钻石晶体结构中缺少了一些碳原子，从而构成了一些空穴。

由于空穴周围聚集了一些氮原子，因此，这种缺陷被称作氮空穴色心。研究人员用这样的钻石进行了一系列实验。

这一研究发现说明，钻石可以以负电荷和中性荷的形式存储数据，然后由激光完成读取，写入，抹除和重新写入等任务。

多姆卡尔指出，每字节数据在钻石上占几纳米的空间，比现有的任何数据存储设备都小得多，因此有助于我们研发超密计算机存储技术。

不过，研究人员目前无法从如此微小的结构中读取数据或写入数据。但他们确实证明了自己可以解码3D形式的数据（由2D图像堆叠而）。

如果引入第三维度，数据存储量能力将大大提高。利用研究人员所研发的3D数据存储技术，我们或许能创造出一种新型存储光盘，存储空间可达到普通DVD光盘的100倍。用钻石制成的芯片存储度将远远超过传统的硬盘（新浪科技，超硬材料工程，2016,6：33）。

3、MIT首次在芯片上打造基于金刚石的量子传感器

美国麻省理工学院（MIT）的研究人员首次在芯片上打造了一种基于金刚石的量子传感器，从而为低成本，扩展量子计算、传感和通信硬件铺平道路。

金刚石中的“氮空位中”（NV）是一种电子缺陷，能够被光和微波控制。但是，此种缺陷会发现出彩色光子，携带周围磁场和电场的量子信息，可以用于生物传感、目标探测和其他传感应用。可是传统的基于NV的量子传感器有餐桌那么大，还匹配了昂贵的分立元器件，限制了其实用性和可展性。

研究人员展示的这种传感器可用于磁力测量，这意味着能够测量由于周围磁场引起的原子尺度的频率变化，而周围磁场可能会包含有关周围环境的信息。经过进一步完善，该传感器还可以运用其他领域，如绘制大脑中的电脉冲图，在漆黑的环境中探测物体等。

如果金刚石晶格结构中两个相邻位置的碳原子消失，其中一个原子被氮取代，另一个位置“缺失”，就会造成NV中心，导致结构中缺失了键，而此类结构中电子会对周围环境中的电磁和光特性的微小变化极其敏感。

NV中心本质上是一个原子，有一个原子核，周围还有电子，还具备光致发光特性，能够吸收和发射彩色光子。扫过NV中心微波可让其改变状态（正、中性和负），反过来改变电子的自旋，根据自旋，NV中心又会发射不同数量的红色光子。

而光学检测磁共振技术能够测量出NV中心与周围磁场相互作用后发出的光子数量，这样的相互作用产出了有关磁场可量化信息。为了实现这一切，传统的传感器需要各种体积庞大的组件（餐桌那么大），包括安装在其上面的激光器、电源、微波发生器、传输光和微导导体，一个光学滤波器和传感器以及一个读出组件。（超驶硬材料工程，2019,5：28）