2019年中科院寧波材料所僅用短短幾周時間，就以甲烷氣體為主要原料合成出一顆36克拉的高純凈度金剛石，這標(biāo)志著我國突破了大體積單晶金剛石的生產(chǎn)工藝。未來，更大體積的金剛石將源源不斷地進入生產(chǎn)和生活領(lǐng)域。那么科學(xué)家為什么要人工合成金剛石？人工合成金剛石到底又有什么用途呢？
金剛石是什么
其實金剛石和鉆石是同一種物質(zhì)，只不過金剛石是一個礦物學(xué)名稱，而鉆石是一個珠寶學(xué)名稱，高純凈度的金剛石就是“鉆石”。
金剛石有什么用？
我們平常用的玻璃刀，頂端實際上就是金剛石。精密機械加工使用的刀具、石油鉆井所用的鉆頭，表面上都會鍍上金剛石，以提高它們的耐磨性。因為金剛石是世界上最硬的天然物質(zhì)。
金剛石還有一個特點，就是導(dǎo)熱性特別好。它的導(dǎo)熱能力約為室溫條件下純銅熱導(dǎo)率的5倍。在半導(dǎo)體行業(yè)領(lǐng)域具有潛在的重要應(yīng)用。根據(jù)摩爾定律，現(xiàn)在大規(guī)模集成電路的元件，尺寸不斷縮小，密度不斷提高，導(dǎo)致它們的熱負荷不斷攀升。如果熱量不及時散出去，那么就可能燒壞半導(dǎo)體的電路板、燒毀元器件。如果我們能利用金剛石的高熱導(dǎo)率，作為大規(guī)模集成電路的基板或者散熱片，它就可以及時地把熱量散出去，解決現(xiàn)在制約電子元件發(fā)展的瓶頸。
為什么要“人造”金剛石？
金剛石應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，但我國金剛石儲量并不豐富，僅靠天然金剛石難以滿足工業(yè)需求。為改變這一現(xiàn)狀，上世紀(jì)60年代，經(jīng)過刻苦攻關(guān)，我國逐步掌握了“人造”金剛石的技術(shù)，而進入21世紀(jì)后，人工合成金剛石產(chǎn)業(yè)突飛猛進，近幾年更是占據(jù)了世界工業(yè)用金剛石90%的產(chǎn)量。另一方面，我國也在不斷提升“人造”金剛石的生產(chǎn)工藝，努力生產(chǎn)出更大顆粒、更高純凈度的金剛石。
“人造”金剛石的方法有哪些？
目前通常有三種常用的人工合成鉆石的方法。
第一種叫爆轟法。天然鉆石的形成條件是一個高溫高壓環(huán)境，那么怎么產(chǎn)生高溫高壓的這么一個特殊環(huán)境狀態(tài)？簡單粗暴的方法就是引爆炸藥。如果把含有石墨的炸藥放到一種特殊的容器里邊，然后把炸藥引爆，它會瞬間產(chǎn)生很強的壓強和很高的溫度，那么就可以把這些石墨轉(zhuǎn)化成為金剛石。這種方法可以得到很多細粉末的金剛石。它的顆粒很小，只有5~15個納米，作為珠寶首飾的應(yīng)用可能是有限的，但是它作為工業(yè)用的磨料，還是非常重要的。
第二種方法叫高溫高壓法。這是在相對長的一段穩(wěn)定時間內(nèi)，保持高壓高溫的一個環(huán)境，讓石墨慢慢轉(zhuǎn)變成金剛石。通過控制合成條件和時間，鉆石就可以不斷長大。在一天左右的時間，就可以獲得5個毫米的金剛石。
第三種方法叫化學(xué)氣相沉積法，這是上世紀(jì)90年代逐漸發(fā)展起來一種方法。這種方法主要是利用一些含碳的氣體，例如甲烷和氫氣的一些混合氣作為一個碳源，在一定的能量輸入下，將甲烷氣體分解，在基底上成核，長大轉(zhuǎn)變成金剛石。這種方法的優(yōu)點是效率比較高，相對可控，而且它可以得到純凈無雜質(zhì)的透明的金剛石，這是目前發(fā)展的一個重要方向。
未來，金剛石合成將朝高純度大顆粒的方向發(fā)展。對于金剛石的需求，我們將不再僅僅依賴大自然的饋贈，而人工合成金剛石也將進入更多生產(chǎn)領(lǐng)域，得到更廣泛的應(yīng)用。
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