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鄭州華晶金剛石股份有限公司

怎么造出足夠大的鉆石?純凈鉆石不好?關于培育鉆石你可能不知道的知識

關鍵詞 金剛石|2020-02-24 13:44:52|來源 科學大院
摘要 瑪麗蓮夢露曾告訴我們,“鉆石是女人最好的朋友”。不過,鉆石(也就是首飾界對大顆粒金剛石的稱呼)其實是工業界的“材料之王”,光學器件、刀具磨具、甚至太空飛行器上都有鉆石的存在!至于在...

瑪麗蓮夢露曾告訴我們,“鉆石是女人最好的朋友”。不過,鉆石(也就是首飾界對大顆粒金剛石的稱呼)其實是工業界的“材料之王”,光學器件、刀具磨具、甚至太空飛行器上都有鉆石的存在!至于在半導體產業(包括你手機里的芯片)里,它是摩爾定律完蛋之后的未來希望。

今天我們就來給大家講講鉆石半導體。

生產彩色人工鉆石,就是為了造半導體

和以往的人工鉆石只能生產出很小的細顆粒,只能用在車刀、鉆頭或者砂紙上不同。最近各種珠寶展會上的人工鉆石展臺,一定會有各種五顏六色的鉆石出現。這是為什么呢?

比如下圖中各種真正的彩色鉆石非常顛覆大家對鉆石無色純凈的印象。

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中國兵器工業集團豫西集團中南鉆石有限公司生產的彩色鉆石(圖片來源:微博@兵工之聲)

那么,原因在哪呢?因為這些白色或者彩色的人工鉆石,都可以說是人造鉆石生產實驗的副產品,拿出來廢物利用賣給首飾界回收一部分開發投入。當然,如果需要的量大,想來他們也不介意接單專門定制生產特殊顏色的鉆石。那么為什么這些單位要生產出這么多花樣的廢料,而且看起來一個個顆粒都很大?

答案都在這張表格里。

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一切都是為了鉆石半導體,吊打硅半導體的碳半導體材料。

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硅和鉆石都是這樣的四面體晶體構型(圖片來源:veer圖庫)

同為IV主族的元素,碳元素也有做半導體的能力。和硅晶體原子結構同為四面體排布的鉆石,在半導體方面的理論潛力……那是被人稱為“功率半導體的圣杯”的存在。超高的熱導率、更大的擊穿場強,更高的遷移率,以及更小的原子尺寸,一切都昭示著鉆石半導體有著非常光明的前景。

怎么造出足夠大的鉆石?

有前景不代表沒有問題。鉆石半導體面臨的基本問題就是最基礎的材料科學問題,這可是一點點情懷,象征都不講的硬碰硬的技術問題。一切“天然”、“稀缺”、“美好”都要給“性能”讓路。

第一個攔路虎就是要能夠得到足夠大的純凈單晶塊體用于加工。讀者可以先摳出自己電腦或者手機里的CPU,看看芯片的大小,然后再去找出一個克拉級鉆戒,做一個尺寸的概念對比吧。所以,那些首飾級的克拉級小鉆石,做鉆石芯片可不夠。所以,鉆石半導體工業的基礎,要指望芝麻綠豆大的天然鉆那是絕無可能的,必須努力打通人工合成鉆石的科技樹。

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細碎的天然鉆石,這已經是篩選出的大顆粒了(圖片來源:veer圖庫)

爆轟法:

因為天然存在的金剛石的碳四面體網絡結構是在地層深處高溫高壓的條件下形成的,那么一開始,工業界要合成人工金剛石就在努力模擬這種高溫高壓的狀態,一開始的辦法非常簡單粗暴:BOOM!沒錯,就是利用高能炸藥爆炸瞬間形成的高溫高壓態,引起石墨里的碳在催化劑作用下相變,得到金剛石。

在不斷的炸藥爆轟下,確實得到了很多人工金剛石。從用詞上大家都能看出來,尺寸太小,達不到寶石級,沒法叫鉆石。爆轟法生產的人工金剛石普遍顆粒細碎,沒有辦法被稱為寶石,只能用于鉆頭的鑲嵌甚至用于磨料。所以,爆轟法淡出了工業鉆石科技樹的主干。

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國產鉸鏈式六面頂壓機(圖片來源:觀察者網)

高壓法:

另一種方法是機械頂壓機實現高壓,再通過電加熱形成高溫,通過高溫高壓環境的催化相變使碳元素轉變為鉆石,這也是目前生產人造鉆石的主流技術。而且,相比天然鉆石,壓力機法人工合成鉆石的尺寸從一開始就是相當大的,約10年前進入中國市場的人工鉆石的尺寸就是0.5克拉起步,大的可以到3克拉。壓力機頂壓出來的鉆石,已經能夠很好的應用于超硬刀具等的生產環節上了。早年國外某公司生產的人工鉆石的生產成本大約是天然鉆石的60%。在我國自主研發的六面頂壓機技術的加持下,國產人造鉆石的成本做到了世界最低,產量也達到了全世界的90%以上,可以說首飾圈的“人造鉆石不好”的論調,幾乎可以肯定是沖著海量的價廉物美的國產人工鉆石來的。

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高溫高壓下石墨轉變為金剛石的機理(圖片來源:觀察者網)

CVD(化學氣相沉積)生長法:

爆轟法還有一個缺點,高能炸藥里面富含的氮元素摻雜進金剛石,使金剛石的色澤偏黃,使得在首飾市場里都不討喜。當然鉆頭和精密加工刀具不在乎刃或尖端的金剛石到底是白的還是黃的,但是用于芯片的話,氮元素超標也是不行的。同樣的,壓力機的生產也會在鉆石里帶進比較多的氮,并且生產出來的尺寸不利于得到大尺寸盤片,所以這對于半導體加工也是不利的。

現在的鉆石半導體科技樹轉向CVD生長法。基本的概念就是在使用壓力機生產的鉆石基片上直接沉積碳原子,“長出”一片鉆石來。CVD的原料氣是甲烷或者乙炔氣體,分解后碳原子沉積到基底上,得到金剛石材料非常純凈,可以得到完全透明,幾乎不含雜質的純凈金剛石,這就能夠滿足半導體工業生產所需的高純凈鉆石材料了,至于首飾,那更不在話下。

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中科院寧波材料所生產的人工鉆石(圖片來源:作者拍攝)

對半導體生產友好的另一件事是,CVD生產的金剛石是從薄膜到薄片到厚片再到塊體的。可以根據生產的需要進行定制設計,那就擺脫了天然金剛石原石不規則顆粒的麻煩。至于生產出來的大小……目前,國際上不止一家實現了英寸級以上的金剛石圓片的生產。參照一下男士手表表盤和前面摳出來的CPU大小,1英寸圓片的大小已經夠格用來切芯片了。

這時候,就算生產出來的鉆石薄片還不能直接用于半導體生產,其實也可以用于半導體工業了——做芯片襯底材料。還記得那張表上的熱導率數據嗎?鉆石的熱導率比硅材料強十多倍,是已知最好的散熱材料,甚至遠好于你舍不得多用的高級散熱硅脂里的銀。這樣好的導熱材料做芯片襯底,那簡直是超頻玩家的巨大福音,不管是用含銀硅脂、熱管水冷、液氮還是冒險上液態金屬,不都是想讓芯片內部的熱盡快散出去嘛。芯片本身的散熱能力大大增強,特別是抗局部過熱能力的增強,可以大幅增加芯片的容許的功率上限,不管是用于計算的CPU/GPU,還是用于AESE的T/R模組,都無疑是非常好的消息。

居然不要造純凈的鉆石?

鉆石要用于半導體,還要面臨第二個問題:摻雜。

如果硅要用于半導體,需要進行摻雜,得到P型和N型材料。同是IV族元素的碳晶體怎么可能例外?鉆石半導體的P型摻雜和N型摻雜一樣是必須的。目前來說,P型摻雜已經有幾種相對成熟的工藝,實現在鉆石中注入或者摻入硼元素,得到P型半導體芯片材料。但是,目前的攔路虎是摻雜得到N型半導體材料,解決了N型摻雜的問題,那就是鉆石半導體的科技樹打通的時刻了。

說到摻雜,那自然少不了各種實驗,從不同的理論上,研究人員嘗試的N型摻雜的方式主要有如下幾類:氮摻雜、磷摻雜、鋰或鈉摻雜、氧或硫摻雜及其他元素摻雜(如鉀、鎂、鈹、砷等元素),當然更少不了共摻雜。再加上如何摻雜的實現手段,比如CVD時加入,還是再注入,還是來自基底的擴散?。這一串方案光看都會覺得暈,更別提可憐的實驗狗了……

不過聰明的讀者肯定想到了,不同的生產、摻雜和處理過程肯定能影響到鉆石整體的色澤呈現,那么海量的失敗實驗中,如果不執著于得到N型半導體材料的話,自然可以優選出一些呈色穩定好看的方案用于生產珠寶級鉆石。這就是為什么奇奇怪怪的國內人工鉆石公司手里有很多天然罕見的彩色鉆石的原因了,而且顆粒大,無瑕疵,凈度高,色彩均勻,最重要的是價格便宜。

結語

由于金剛石超寬的禁帶寬度(5.45eV),以及抗輻射損傷高靈敏度、低暗電流等優勢,現在已經成為極端環境下(如核反應堆、托克馬克、激光核聚變試驗,外層空間等)工作的粒子探測器或者輻射探測器的材料。
放飛一下自我,我們可以這么暢想未來:

甲:“看看我的大鉆戒!”,

乙微笑著拿起微單相機:“看見屏幕了么?鉆石的!”

擰下鏡頭:“全畫幅傳感器看到了么,鉆石的!”

然后舉起鏡頭:“看見鏡片了么?鉆石的!”

對,鉆石的折光率也是遠高于光學玻璃的……

最后,給悶在家里沒法出去買買買的讀者們一句安慰吧:

史隆伯杰認為鉆石缺乏人情味,一直避免用它來顯示財富:“你不妨在翻領上別張支票。”

剁手鉆石之前,多想想這句話吧。


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