國際人造金剛石行業(yè)近期發(fā)展態(tài)勢(shì)(上)①

談耀麟

(中國有色桂林礦產(chǎn)地質(zhì)研究院有限公司,廣西桂林 541004)

國際人造金剛石行業(yè)近期發(fā)展態(tài)勢(shì)(上)①

談耀麟

(中國有色桂林礦產(chǎn)地質(zhì)研究院有限公司,廣西桂林 541004)

人造金剛石的應(yīng)用從最初的工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)展到寶石級(jí)人造金剛石用于珠寶行業(yè)然后又發(fā)展到紀(jì)念品鉆石服務(wù)于喪事家庭和特殊禮品等。文章闡述了工業(yè)用人造金剛石、寶石級(jí)人造金剛石與紀(jì)念品鉆石的最新進(jìn)展以及工業(yè)用人造金剛石在高科技與各工業(yè)部門的最新應(yīng)用。全面反映國際工業(yè)用人造金剛石、寶石級(jí)人造金剛石和紀(jì)念品鉆石技術(shù)的當(dāng)前發(fā)展水平以及人造金剛石的未來發(fā)展趨勢(shì)。此外,對(duì)國際上主要的工業(yè)用人造金剛石生產(chǎn)企業(yè)以及寶石級(jí)人造金剛石與紀(jì)念品鉆石生產(chǎn)廠家的發(fā)展作簡(jiǎn)單介紹。

人造金剛石;寶石級(jí);紀(jì)念品鉆石;應(yīng)用領(lǐng)域;技術(shù)發(fā)展水平;發(fā)展趨勢(shì);生產(chǎn)企業(yè)

1 引言

2013年,國際局勢(shì)風(fēng)云動(dòng)蕩,沖突與矛盾此起彼伏。然而自19世紀(jì)以來,現(xiàn)代科技的發(fā)展就沒有衰落過。進(jìn)入21世紀(jì),各種發(fā)明創(chuàng)造如雨后春筍破土而出。國際人造金剛石的發(fā)展態(tài)勢(shì)引人關(guān)注。

反映工業(yè)金剛石應(yīng)用以及cBN、CVD金剛石和其它單晶/聚晶人造金剛石研制與應(yīng)用的國際科技大會(huì)(INTERTECH)于去年五月在美國巴爾的摩舉行。與會(huì)者包括來自世界各地的超硬材料供應(yīng)商、工具制造廠家、科研機(jī)械以及超硬材料應(yīng)用方面的研發(fā)人員。本屆大會(huì)的主題是新型材料的發(fā)展,重點(diǎn)是新型材料的實(shí)際應(yīng)用以及使用金剛石和cBN制品的相關(guān)新技術(shù)。兩年一度的INTERTECH可以說是國際超硬材料行業(yè)當(dāng)前發(fā)展現(xiàn)狀和近期發(fā)展趨勢(shì)的一個(gè)縮影。本文著重闡述有關(guān)人造金剛石行業(yè)的發(fā)展。

人造金剛石問世以來已走過了60個(gè)年頭,目前在工業(yè)和高科技領(lǐng)域已取代了大部分天然金剛石,在珠寶行業(yè)也逐步占有一席之地。據(jù)估計(jì),2013年全球天然金剛石產(chǎn)量約13000萬克拉,其中寶石級(jí)的不超過40%,工業(yè)級(jí)的接近8000萬克拉,回收的約500萬克拉;而人造金剛石產(chǎn)量超過460000萬克拉。

在珠寶行業(yè),天然金剛石占92%,回購的占6%,人造金剛石只占2%,不到100萬克拉。在工業(yè)用金剛石中,人造金剛石占98%,而天然金剛石只占2%,約8000萬～10000萬克拉。

隨著金剛石合成技術(shù)的日臻完善,人造金剛石的粒度和純度逐漸提高而發(fā)展到了寶石級(jí)人造金剛石,寶石級(jí)人造金剛石行業(yè)遂應(yīng)運(yùn)而生。嗣后由于所用碳源的不同。從人的頭發(fā)或遺體中提取碳元素而合成金剛石取得成功從而發(fā)展了另一類人造金剛石即紀(jì)念品鉆石。所謂紀(jì)念品鉆石即為死者家屬從死者遺體提取碳元素合成金剛石以資紀(jì)念。

全球人造金剛石生產(chǎn)企業(yè)有數(shù)十家,在經(jīng)濟(jì)大潮中有的企業(yè)破產(chǎn)了但也出現(xiàn)了新企業(yè)。2013年維基百科列出了全球知名的人造金剛石生產(chǎn)企業(yè)約46家,其中工業(yè)用人造金剛石生產(chǎn)企業(yè)17家,寶石級(jí)人造金剛石生產(chǎn)企業(yè)11家,紀(jì)念品鉆石生產(chǎn)企業(yè)8家。

2 工業(yè)用人造金剛石發(fā)展?fàn)顩r

在目前全球知名的17家工業(yè)用人造金剛石生產(chǎn)企業(yè)中,美國占了8家,英國有2家,俄羅斯、比利時(shí)、澳大利亞、瑞士、韓國、中國、日本各有1家。在國際人造金剛石市場(chǎng)上,就貿(mào)易總量、產(chǎn)品種類和技術(shù)含量而言,英國元素6公司一直雄居鰲頭;美國是工業(yè)金剛石的消費(fèi)大國,工業(yè)金剛石市場(chǎng)銷售額至少在15億美元以上,一些公司的產(chǎn)品在高科技領(lǐng)域的應(yīng)用可謂處于世界領(lǐng)先地位;而俄羅斯人造金剛石合成技術(shù)的先進(jìn)性則不可小覷。

2.1 元素6公司(Element Six)

元素6公司是戴比爾斯(De Beers)集團(tuán)公司的成員,內(nèi)設(shè)兩大部門:磨料部和技術(shù)部。磨料部中戴比爾斯持股60%。國際材料技術(shù)巨頭Unicors公司占40%;技術(shù)部所有權(quán)全歸戴比爾斯。

磨料部主要提供粒狀人造金剛石用于汽車和航空航天工業(yè)新型材料如鈦或鉛系列硬合金的高精加工,包括切削、磨削、鉆削、剪切、拋光等。這些部門不斷在尋求強(qiáng)度更大、重量更輕、節(jié)能環(huán)保的新材料,需要大量各種金剛石刀具來進(jìn)行加工,微米級(jí)的人造金剛石則用于制造高性能半導(dǎo)體、線切割鋸(用于鋸切貴重材料)以及用于制造精密劃刀,用于切割高科技屏幕玻璃如各種電腦和電視機(jī)屏幕玻璃等。

技術(shù)部則負(fù)責(zé)開發(fā)利用人造金剛石的各種性能,應(yīng)用于電子、光學(xué)、聲學(xué)、熱學(xué)等工業(yè)領(lǐng)域。

元素6公司的總部在盧森堡注冊(cè),人造金剛石生產(chǎn)設(shè)施有14處,分布在美國、英國、瑞典、愛爾蘭、南非、德國和中國。起初的生產(chǎn)基地在英國Springs,也是主要的生產(chǎn)基地,雇員近1000人,目前元素6公司仍在擴(kuò)大其生產(chǎn)能力.2013年初宣布在美國硅谷建立第一個(gè)人造金剛石生產(chǎn)基地。應(yīng)指出的是,生產(chǎn)高端人造金剛石產(chǎn)品多在美國和英國的生產(chǎn)基地,而在中國的生產(chǎn)基地則主要生產(chǎn)磨料級(jí)的人造金剛石。人造金剛石與其它超硬材料成品目前已行銷國際14個(gè)行業(yè)部門,涵蓋航空航天;汽車制造;日用消費(fèi)品;國際工業(yè);電子;環(huán)境保護(hù)與資源回收利用;建筑與石材;醫(yī)療衛(wèi)生;鋼鐵;激光與光學(xué)元器件;采礦與隧道掘進(jìn);石油與天然氣;道路養(yǎng)護(hù);公用事業(yè)與電力等。這些部門的技術(shù)在不斷更新,既迫切需要超強(qiáng)、超硬、超輕的新型材料,也急需節(jié)能、環(huán)保、高效的新型加工刀具。

元素6公司的運(yùn)作與經(jīng)營,無論是生產(chǎn)或科研,始終以市場(chǎng)需求為導(dǎo)向,據(jù)此制定近期和長遠(yuǎn)目標(biāo)。為此,元素6公司最近投資3200萬美元在英國Harwell Oxford建立人造金剛石全球技術(shù)創(chuàng)新中心(GIC),裝備設(shè)施面積達(dá)5000m2,聘用世界各地100余名包括物理學(xué)的頂尖科學(xué)家和工程技術(shù)人員,其中涉及新材料科學(xué)研究的崗位達(dá)50個(gè),開展人造金剛石及其它相關(guān)超硬材料極致性能的研發(fā)。據(jù)稱是全球最大最頂尖的人造金剛石研發(fā)機(jī)構(gòu)。有評(píng)倫稱,該中心的建立必將加強(qiáng)元素6公司作為全球人造金剛石研制的領(lǐng)軍企業(yè)地位。

該中心擁有一系列現(xiàn)代技術(shù)水平的設(shè)施,包括產(chǎn)品造型與設(shè)計(jì);材料制備;高溫高壓合成壓機(jī)車間;化學(xué)氣相沉積反應(yīng)裝置;合成實(shí)驗(yàn)室;合成后加工處理(磨拋表面處理、切割、成形加工等);材料分析與特性鑒定以及產(chǎn)品實(shí)用實(shí)驗(yàn),值得指出的是,該中心研制的高純度單晶和聚晶人造金剛石是采用本公司專屬的微波化學(xué)氣相沉積法在反應(yīng)裝置中將碳?xì)浠衔锘旌蠚怏w加熱到2000℃以上。這種方法可去除化學(xué)雜質(zhì)并可設(shè)計(jì)金剛石的不同性能以滿足特定應(yīng)用的需求。

元素6公司的研究開發(fā)重心是及時(shí)向國際市場(chǎng)提供新型的超硬材料。除了本身的研究設(shè)施與研究力量之外,它還與全球一流的超硬材料研究機(jī)構(gòu)包括著名的超硬材料公司以及英國華威(Warwick)大學(xué)、美國哈佛大學(xué)和南非威特沃特斯蘭(Witwatersrand)大學(xué)等合作開展產(chǎn)品創(chuàng)新研究工作。

元素6公司在磨料應(yīng)用領(lǐng)域和許多先進(jìn)科技領(lǐng)域利用人造金剛石的極致性能積有50余年之經(jīng)驗(yàn)。技術(shù)創(chuàng)新中心的建立將開拓出一條發(fā)展新型人造金剛石與相關(guān)超硬材料產(chǎn)品的渠道,使產(chǎn)品的生產(chǎn)率與終端應(yīng)用性能有較大的提升。元素6公司綜合利用與研究開發(fā)人造金剛石的極致性能包括:化學(xué)與生物化學(xué)惰性;電絕緣性;低摩擦系數(shù);電戴流子逆移率;低介電常數(shù)和介電損耗;低熱脹系數(shù);極高熱導(dǎo)率;結(jié)合/摻入硼的性能;電子能帶隙(在高電壓下輸送極低電流);電磁透射譜。

元素6公司每年將貿(mào)易營業(yè)額的7%～10%投入研究與開發(fā),巨額的投入加上先進(jìn)的技術(shù)裝備與頂尖的科研團(tuán)隊(duì)是元素6公司保持技術(shù)創(chuàng)新與產(chǎn)品創(chuàng)新穩(wěn)步邁進(jìn)的三大因素。現(xiàn)將其人造金剛石的近期重大應(yīng)用概述如下。

2.1.1 希格斯玻色子(Higgs Bosson)

2013年7月,歐洲原子核研究組織宣稱采用元素6公司的最高純度CVD金剛石監(jiān)測(cè)出了希格斯玻色子,亦稱上帝粒子。其重大意義在于促進(jìn)物理學(xué)標(biāo)準(zhǔn)模型的完善與發(fā)展,有助于質(zhì)量和引力問題的研究。

元素6公司的高純度CVD金剛石是最堅(jiān)固耐用的傳感器材料,可經(jīng)受住嚴(yán)酷的高輻射環(huán)境的考驗(yàn)。這種傳感器是安全探測(cè)系統(tǒng)的重要元件,是最近發(fā)現(xiàn)希格斯玻色子所進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)中采用的阿特拉斯光束狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(ATLAS Beam Condition Monitoring System)以及大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)緊湊型μ介子螺線管實(shí)驗(yàn)(Large Hadron Collider Compact Muon Soleuoid experiments)的主要組成部分。緊湊型μ介子螺線管實(shí)驗(yàn)借助于這種人造金剛石的穩(wěn)定性來監(jiān)測(cè)大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)光束到來以及對(duì)撞中產(chǎn)生的粒子。

元素6公司生產(chǎn)的高純度CVD金剛石無論在規(guī)格和質(zhì)量一致性方面都能滿足先進(jìn)探測(cè)器的要求,已成功用于高能物理研究。例如應(yīng)用于歐洲核子研究中心的固態(tài)粒子探測(cè)器,可每25毫微秒測(cè)量質(zhì)子碰撞,比硅探測(cè)器優(yōu)越得多,硅探測(cè)器由于易受到輻射破壞,不能長時(shí)間工作。

2.1.2 量子位存儲(chǔ)(guantum bit menory)

2013年1月,元素6公司與哈佛大學(xué)等科研機(jī)構(gòu)協(xié)作采用人造金剛石進(jìn)行室溫下量子位(比特)存儲(chǔ)的試驗(yàn),存儲(chǔ)可超過1秒。開辟了發(fā)展固態(tài)光量子感測(cè)器與量子信息技術(shù)的可能性。

早在2012年6月,元素6公司就與哈佛大學(xué)加利福尼亞技術(shù)研究院和德馬普量子研究所合作采用該公司的高純度CVD金剛石單晶來證實(shí)在室溫下量子位存儲(chǔ)超過1秒的可能性。若采用其它材料和技術(shù)則必須要有復(fù)雜的低溫致冷基礎(chǔ)設(shè)施,人造金剛石的多功能性、可靠性和潛在的可擴(kuò)展性也許在量子科學(xué)、量子通訊與計(jì)算技術(shù)、量子傳感器技術(shù)(用于納米級(jí)化學(xué)/生物學(xué)過程成像)中獲得新的應(yīng)用。此外,量子計(jì)算機(jī)技術(shù)有可能顯著地改進(jìn)數(shù)據(jù)處理并提高通訊安全性。

上述高純度CVD金剛石單晶是元素6公司在英國的Ascot機(jī)構(gòu)與哈佛大學(xué)合作三年的研究成果。

2.1.3 聲學(xué)元件

去年元素6公司研制出人造金剛石穹形聲學(xué)元件,不但重量輕,而且堅(jiān)固耐用,產(chǎn)生的音頻至少在70k Hz,用于高音揚(yáng)聲器取得突破性進(jìn)展,目前已被國際著名高檔音響設(shè)備Bower&Wilkins 800 Series所采用,產(chǎn)品的音質(zhì)十分優(yōu)美。

2.1.4 摻硼人造金剛石

利用人造金剛石產(chǎn)生臭氧是一項(xiàng)關(guān)注環(huán)保的新技術(shù)。臭氧是一種消毒劑,可殺死絕大多數(shù)的已知病原體或細(xì)菌,而且是很有效的除臭劑。最近元素6公司研制出一種小型的人造金剛石濾筒,裝在盛有自來水的噴霧瓶上可噴出臭氧水,噴到家庭器具表面可起消毒作用。據(jù)稱此臭氧水可在30秒內(nèi)完全蒸發(fā),不留殘余物和氣味。這種人造金剛石濾筒是用摻硼人造金剛石制作的。摻硼人造金剛石具有特異的電化學(xué)性能,對(duì)有機(jī)和無機(jī)化合物可起有效的氧化作用,在微型電解槽中用它作陽極,可在水中產(chǎn)生臭氧,比其它方法更有效、更可靠。

2.1.5 輻射監(jiān)測(cè)器

人造金剛石具有許多令人矚目的性質(zhì),例如低介電常數(shù)與介電損耗、高戴流子遷移率以及寬電子帶隙等,即使在高電壓下,流過的電流也很小。因此可應(yīng)用于醫(yī)療保健器械,例如在治療眼球癌癥的器械中采用人造金剛石制造的輻射監(jiān)測(cè)器可保證提供正確的劑量對(duì)準(zhǔn)癌細(xì)胞而不影響周圍的健康組織。人造金剛石在醫(yī)療衛(wèi)生保健方面的應(yīng)用是元素6公司近期研發(fā)重點(diǎn)的工作之一。

2.1.6 高熱導(dǎo)率CVD金剛石

人造金剛石的熱學(xué)性能具有廣闊的應(yīng)用潛勢(shì),元素6公司研制的Diafilm 200 CVD金剛石的熱導(dǎo)率可超過2000W/m.K,這種頂級(jí)導(dǎo)熱材料可滿足大功率與高功率密度電子技術(shù)的應(yīng)用要求,可保護(hù)電氣元件與電路在極端條件下工作的安全性。

元素6公司在美國加州的生產(chǎn)基地生產(chǎn)的高熱導(dǎo)率人造金剛石的導(dǎo)熱率為1000到2000W/m K,優(yōu)于碳化硅的熱導(dǎo)率,比銅的熱導(dǎo)率高5倍,用這種材料可制造出更小、更快速和更大功率的光電子器件如激光二極管等,不但使用壽命長,而且提高了可靠性。

2.1.7 CVD金剛石棱鏡

在傅立葉變換紅外光譜儀中采用衰減全反射CVD單晶金剛石棱鏡與其它任何光學(xué)材料棱鏡相比具有極寬的透射光譜,從而提高測(cè)量靈敏度和分析效率,擴(kuò)大使用范圍。寬帶透射光譜可使光譜儀制成微小型并簡(jiǎn)化光學(xué)系統(tǒng),再者,CVD金剛石耐刮傷,具有化學(xué)與生物學(xué)惰性,因此這種光譜儀可在嚴(yán)酷惡劣的條件下工作。

2.1.8 光學(xué)窗材料

元素6公司在硅谷的生產(chǎn)基地于2013年初擴(kuò)大了生產(chǎn)規(guī)模,重點(diǎn)生產(chǎn)人造金剛石光學(xué)窗材料。目前可生產(chǎn)出直徑達(dá)135mm的高純度CVD金剛石晶片,這種晶片具有很寬的光透射譜,從220nm到50μm以上,比其它任何光學(xué)材料的光透譜都寬,可用于大功率光學(xué)窗口、寬帶光譜棱鏡和粒子探測(cè)傳感器等。此外,還具有優(yōu)異的力學(xué)性質(zhì)和室溫下的導(dǎo)熱性能,因而是大功率CO2激光器的理想窗口材料,激光器的功率可在6k W以上,這種激光器已廣泛應(yīng)用于汽車制造業(yè)中的切割系統(tǒng)或國防工業(yè)。據(jù)報(bào)道,這種高純度CVD金剛石晶片是能夠承受超過8k W甚至35k W以上功率的唯一材料。其最小波前畸變?yōu)棣?20(在633nm條件下),因而是激光等離子體(LPP)及紫外光刻系統(tǒng)(EUV lithography system)的至關(guān)重要的光學(xué)元件。由于光的吸收所產(chǎn)生的熱可被這種人造金剛石晶片的優(yōu)異室溫導(dǎo)熱性即刻散發(fā)到周圍環(huán)境中而避免了熱點(diǎn)(hot spot)的出現(xiàn),無需作熱透鏡效應(yīng)補(bǔ)嘗,因而比硒化鋅優(yōu)越得多。

元素6公司的技術(shù)部不斷在開展人造金剛石各種極致性能的應(yīng)用研究,同時(shí)也在進(jìn)行人造金剛石的改性研究,把開發(fā)人造金剛石在綠色能源、環(huán)境與生命科學(xué)中的應(yīng)用作為長遠(yuǎn)的戰(zhàn)略目標(biāo)。

2.2 新時(shí)代金剛石公司(New Age Diamonds)

新時(shí)代金剛石公司自稱是全球最大的人造金剛石生產(chǎn)企業(yè),其產(chǎn)品涉及工業(yè)用人造金剛石,寶石級(jí)人造金剛石和紀(jì)念品鉆石。該公司前身為蘇聯(lián)的空間技術(shù)實(shí)驗(yàn)室,蘇聯(lián)解體之前該實(shí)驗(yàn)室是蘇聯(lián)著名的尖端技術(shù)與創(chuàng)新研究中心,技術(shù)力量雄厚,曾成功采用高溫高壓合成法生產(chǎn)出高質(zhì)量人造金剛石應(yīng)用于本國的光學(xué)與微電子等工業(yè)。

該公司生產(chǎn)的人造金剛石基本上采用高溫高壓合成法,擁有140余臺(tái)壓機(jī),合成工藝先進(jìn),合成出來的單晶金剛石晶體結(jié)構(gòu)完整,雜質(zhì)含量少,晶體生長速度可達(dá)100微米/時(shí),其產(chǎn)品的性能如耐磨性、熱穩(wěn)定性與導(dǎo)熱率等完全可與天然金剛石媲美。2001年以后,所生產(chǎn)的單晶人造金剛石已取代大部分天然金剛石應(yīng)用于本國各工業(yè)部門,如醫(yī)療部門用的眼外科手術(shù)刀片、神經(jīng)外科用的手術(shù)器械以及研究細(xì)胞組織用的刀具;在機(jī)加工方面有精密加工光電元件和隱形眼鏡片以及光學(xué)鏡頭等用的工具,其它還有拉絲模,單刃金剛石刀具,測(cè)試與測(cè)量器具等;采礦行業(yè)用的孕鑲金剛石鉆頭,表鑲金剛石鉆頭,套管鞋和護(hù)孔器等;加工木材和層壓地板材用的各種鑲嵌式刀頭和銑刀等;珠寶加工和鐘表制造業(yè)用的各種金剛石工具;汽車制造業(yè)用的系列鑲嵌式和整體式金剛石刀具等;在電子和光電子工業(yè)中應(yīng)用于肖特基二極管,以及各種傳感器和檢測(cè)器等。

該公司生產(chǎn)的工業(yè)用人造金剛石成品主要有五大類:金剛石工具刀頭;金剛石拉絲模坯件;金剛石晶片,正方形,邊長可達(dá)2～10mm,厚度可根據(jù)使用要求,晶片表面可選擇晶面取向;金剛石刀片與刀片坯件,數(shù)十年來眼科手術(shù)刀和顯微鏡薄片切片刀多采用天然金剛石,紅寶石或藍(lán)寶石制作,采用人造金剛石替代可降低成本,提高刀刃鋒利度,從而提高手術(shù)精準(zhǔn)度,對(duì)組織進(jìn)行細(xì)切而避免撕裂;金剛石單晶體,粒度已達(dá)到相當(dāng)大,在0.2～3.0克拉,多為Ib型橘黃色八面體晶形,含氨約100×10-6。

從以上金剛石成品的技術(shù)規(guī)格及其應(yīng)用領(lǐng)域來看,俄羅斯的人造金剛石總體技術(shù)水平已進(jìn)入國際先進(jìn)行列。

2.3 超硬材料與新型碳材料技術(shù)研究院(TISNCM)

該研究院與新時(shí)代金剛石公司構(gòu)成俄羅斯人造金剛石行業(yè)的兩大支柱。該院初創(chuàng)于1995年,當(dāng)時(shí)為俄羅斯的超硬材料科技中心(CTC SHM),1998年改為俄羅斯聯(lián)邦財(cái)政撥款的研究機(jī)構(gòu),由俄羅斯聯(lián)邦科學(xué)與教育部科學(xué)與創(chuàng)新局掌管,中心任務(wù)是研發(fā)新材料,設(shè)有新型超硬材料合成研究室;納米結(jié)構(gòu)金屬-碳材料實(shí)驗(yàn)室;單晶生長研究室;CVD金剛石生長實(shí)驗(yàn)室;cBN合成實(shí)驗(yàn)室;納米結(jié)構(gòu)物理性質(zhì)研究室;納米材料與化學(xué)工藝研究室以及納米結(jié)構(gòu)物理與化學(xué)研究室。該研究院的重點(diǎn)產(chǎn)品為:

2.3.1 Ⅱa和Ⅱb型大顆粒人造金剛石單晶

眾所周知,金剛石具有許多極致性質(zhì),但不是所有的金剛石都同樣具有全部極致性質(zhì)。不同類型的金剛石在某些極致性質(zhì)方面可占有優(yōu)勢(shì),因而有不同的應(yīng)用領(lǐng)域,在高科技方面應(yīng)用的多為Ⅱa和Ⅱb型金剛石,這種金剛石不但資源奇缺,而且價(jià)格昴貴。為此,該研究院一直致力于Ⅱa型和Ⅱb型大顆粒人造單晶金剛石的研制,他們采用過渡金屬作催化劑,在高溫高壓下(基于溫度梯度生長技術(shù))合成出Ⅱa和Ⅱb型大顆粒金剛石單晶體,目前的粒度可達(dá)到0.5～5.5克拉,特征尺寸達(dá)10mm。

該院合成的Ⅱa型金剛石單晶的特點(diǎn)是晶體結(jié)構(gòu)十分完美,氮含量<1×10-6,導(dǎo)熱率高達(dá)2000W/m.K (目前國際最高水平),工作溫度范圍廣(4至750K)。其應(yīng)用領(lǐng)域包括:研究材料性能用的超高壓設(shè)備的壓砧,直徑可達(dá)3mm;紫外線、X光、高能粒子、核輻射、同步輻射等輻射偵檢器用的感受元件;激光等用的光學(xué)窗;掃描隧道顯微鏡的掃描探針;大功率電子器件的散熱片等。

Ⅱb型金剛石單晶的特點(diǎn)是電阻率范圍大,從0.1到104ohm-em,受體電離能為0.37e V,其應(yīng)用范圍包括:醫(yī)用快速溫度傳感器;汽車與航空工業(yè)用溫度測(cè)控器;腐蝕性液體或氣體用泥量計(jì)等。

上述兩種類型的金剛石單晶都可制成3×3mm和5×5mm的晶片,在化學(xué)氣相沉積反應(yīng)中用作同質(zhì)外延沉積生長的基片可生產(chǎn)較大面積的單晶質(zhì)CVD金剛石晶片,為下一代高溫電子器件提供技術(shù)基礎(chǔ)。

2.3.2 CVD金剛石晶片

用Ⅱa或Ⅱb型金剛石作基片在CVD反應(yīng)器中在200 mbar、3.2k W微波、850℃、60%的CH2和5μm/h的生長速度條件下生成單晶質(zhì)CVD金剛石晶片,好處是CVD金剛石工作層與基片之間為電阻性接觸,工作層厚度可根據(jù)需要而定,這種單晶質(zhì)CVD金剛石可應(yīng)用于日盲型紫外探測(cè)器,在機(jī)載導(dǎo)彈預(yù)警方面有廣闊的應(yīng)用前景。其它應(yīng)用如火焰?zhèn)蓽y(cè)器;粒子與高能輻射檢測(cè)器;α粒子檢測(cè)器;大功率高電壓電子設(shè)備以及肖特基勢(shì)壘二極管等。

該院以硅為基片生長的聚晶質(zhì)CVD金剛石晶片直徑可達(dá)50mm,硅基片可腐蝕去除。這種聚晶質(zhì)CVD金剛石晶片主要應(yīng)用于制作散熱片,最大尺寸可達(dá)15×15mm,厚0.2mm,還可用于制作真空電子器件的無金屬化聚晶質(zhì)金剛石網(wǎng),尺寸為12× 12mm,孔徑50μm。

從上述有關(guān)技術(shù)指標(biāo)考量,俄羅斯的人造金剛石合成技術(shù)也可謂處于國際先進(jìn)水平。

(下期續(xù)完)

Recent Development Trend of International Synthetic Diamond Industry

TAN Yao-lin
(China Nonferrous Metal(Guilin)Geology And Mining Co.,Ltd,Guilin,Guangxi,China 541004)

The application of synthetic diamond has developed from the industrial circle into the jewelry industry and then into souvenir diamond serving for funeral or as special gifts.This article elaborates the latest development of industrial synthetic diamond,gem quality synthetic diamond and souvenir diamond as well as latest application of the industrial synthetic diamond in high-tech and the industrial sectors.The current developmental level of the technology of industrial synthetic diamond,gem quality synthetic diamond and souvenir diamond and the future development trend of the synthetic diamond are fully reflected in this article.Besides,this article gives a brief introduction to the development of the major producer of industrial synthetic diamond,gem quality synthetic diamond and souvenir diamond in the world.

synthetic diamond;gem quality;application area;developmental level of the technology;development trend;producer

TQ164

A

1673-1433(2014)03-0030-05

2014-06-15

談耀麟(1936-),男,高級(jí)工程師,長期從事超硬材料方面的科研和情報(bào)工作。