光电声热力全场景赋能，BDD 金刚石凭什么领先突围？
金刚石，作为一种多功能超极限材料，在众多天然物质中脱颖而出。其具备一系列卓越特性，如拥有最高的硬度，使其在材料加工领域拥有不可替代的地位；极高的电阻率，保障了其在电学绝缘方面的独特优势；极高的热导率，使其成为解决散热难题的理想选择；极低的热膨胀系数，确保在温度变化环境下保持良好的尺寸稳定性；极宽的光谱透过范围，从紫外的 225nm 跨越至红外的 25μm（仅波长 1.8μm - 2.5μm 区间除外），乃至微波范围都能保持优良的透过性，在光学领域展现出巨大的应用潜力；很宽的禁带宽度，为其在半导体器件应用提供了关键基础；极高的载流子迁移率，有助于实现高效的电子传输；以及非常好的化学稳定性，能在多种复杂环境下保持自身特性。这些特性使得金刚石在光学、电学、声学、热学、力学和电化学等众多高新技术领域展现出极佳的应用前景。然而，天然金刚石由于其稀缺性、尺寸受限等因素，无法满足大规模应用的需求。因此，金刚石材料的人工合成技术成为推动其广泛应用的核心关键。
金刚石，俗称 “金刚钻”，也就是广为人知的钻石，是自然界中硬度最高的物质。同时，它还具备高化学惰性、高导热率、低摩擦系数、超宽带隙、宽光谱透过率等优异性能，在精密加工、电化学、光学窗口、热沉、半导体器件等高端先进制造领域发挥着举足轻重的作用。然而，天然金刚石存在不可再生、开采成本高昂、储量稀少、颗粒体积小且杂质难以控制等缺点，这极大地限制了其在工业生产中的广泛应用。基于此，人工合成金刚石，因其与天然金刚石具有完全相同的物理化学性质，成为工业制造应用中的更优选择。
金刚石是典型的共价键晶体，具有立方晶体结构。其晶体结构中，中间的碳原子以共价键的形式与其余三个碳原子紧密结合。晶胞结构则精准反映了金刚石的微观周期性和结构上的对称性。这种独特的晶胞结构赋予了金刚石自然界中最大的原子数密度（176 atoms/nm³）以及最小的压缩率，使其成为世界上最硬的物质，并在热学、电学、光学等多个领域展现出卓越性能。
当前，主流的金刚石合成技术主要有高压高温法（HPHT）和化学气相沉积法（CVD）。HPHT 法受限于高压设备的体积，在提升晶体尺寸方面存在较大局限，因此常用于小尺寸金刚石的合成。并且，在合成过程中需引入催化剂促进成核，这使得金刚石内部杂质难以有效减少。
相较而言，CVD 法具有更大的有效生长空间，且使用的原材料纯度较高，合成的金刚石纯度更高，尤其在掺杂处理方面优势显著。CVD 金刚石主要分为 CVD 薄膜（常规金刚石膜、纳米金刚石膜，厚度小于 50μm）和自支撑型厚膜（单晶金刚石和多晶金刚石）。按合成技术又可细分为微波辅助型（MPCVD）、热丝型（HFCVD）和直流型（DCCVD）。
热丝化学气相沉积（HFCVD）的基本原理是在真空腔体中，反应气体与高温金属丝碰撞后发生催化裂解，生成多种具有强烈活性的 “不带电” 基团，碳原子在衬底材料上沉积，进而形成纳米金刚石。该方法设备操作简便，生长成本低，易于实现工业化生产，应用广泛。但由于热分解效率较低，且来自灯丝和电极的金属原子污染较为严重，HFCVD 通常只能制备晶界包含大量 sp² 相碳杂质的多晶金刚石膜，其外观一般呈灰黑色。
微波等离子体化学气相沉积（MPCVD）则借助磁控管或固态源产生特定频率的微波，通过波导馈入反应腔体，依据反应腔体特殊的几何尺寸在衬底上方形成稳定的驻波。高度聚焦的电磁场击穿反应气体，使甲烷和氢气形成稳定的等离子球，富含电子、离子、碳活性离子基团在适宜的温度和压力条件下在衬底上成核生长，促使金刚石外延缓慢长大。与 HFCVD 相比，MPCVD 避免了热金属丝蒸发对金刚石膜的污染，有效提高了金刚石薄膜的纯度，在工艺中可使用的反应气体种类更多，沉积的金刚石单晶比天然钻石还要纯净，可用于制备光学级金刚石单晶 / 多晶窗口、电子级金刚石单晶等。不过，微波等离子体可能会对某些类型的基底（如有机材料）造成损坏，这在一定程度上限制了可用于 MPCVD 的基底类型，使其通用性不如其他 CVD 方法。此外，MPCVD 装置的复杂性和制造成本较高，其结构形式主要包括石英管式、石英钟罩式等，每种结构都有其独特的优势和局限性。
1.光学应用：金刚石在目前所有固体材料中拥有最宽的透过光谱，从紫外的 225nm 延伸至红外的 25μm（波长 1.8μm - 2.5μm 除外），直至微波范围，都具备优良的透过性。基于其优异的光学特性，以及抗辐照损伤性强、高硬度、高热导率、高化学稳定性和低膨胀系数等特点，金刚石成为制作现代红外光学窗口的理想材料，广泛应用于激光窗口、高功率微波窗口、拉曼激光等领域。此外，金刚石作为性能优异的晶体拉曼材料，拥有已知晶体材料中最大的拉曼频移（1332.3cm⁻¹），室温下拉曼增益线宽约为 1.5cm⁻¹。由于其具有超快的热耗散能力，在高功率运行下仍能保持高拉曼增益不变，实现高光束质量激光输出。
2.电学应用：金刚石具有非常优异的电学性质，禁带宽度可达 5.5eV，热导率高达 22W/(cm・K)，室温电子和空穴迁移率分别高达 4500cm²/(v・S) 和 3800cm²/(v・S)，电阻率在 1×10¹²Ω・m 以上，介电常数为 5.5，可用作极端恶劣辐射环境中的探测器材料。基于耐高压、大射频、低成本、低功率损耗和耐高温等多重优异性能参数，CVD 金刚石被视为制备下一代高功率、高频率、高效率电子器件最具潜力的材料，被誉为 “终极半导体” 材料。此外，由于金刚石具有较大的激子束缚能（约 80meV），在室温下可实现高强度的自由激子发射（发光波长约为 235nm），在制备大功率深紫外发光二极管方面潜力巨大，在极紫外深紫外和高能粒子探测器的研制中也发挥着重要作用。随着金刚石半导体技术的不断发展，未来有望突破 n 型掺杂技术、大尺寸高质量单晶制备及高平整度、高均匀性材料外延及后处理加工技术等瓶颈，实现更高功率性能的金刚石电子器件，为消费者带来更快、更轻、更便捷的设备。金刚石半导体器件比硅芯片更耐用、厚度更薄、效率更高，基于金刚石的电子产品很可能成为高能效电子产品的行业标准，对超级计算机、先进雷达和电信系统、超高效混合动力汽车、极端环境中的电子设备以及下一代航空航天电子设备等高新行业和高新技术产品产生深远影响。
3.声学应用：金刚石密度低，杨氏模量高，使其成为高性能的高频声材料。它可在高达 70kHz 的频率下保持完美的振动运动而不失真，实现近乎完美的声音再现。此外，金刚石具有最高的声表面波速，是用于声表面波滤波器的优质材料，能够有效提高滤波频率和功率承受能力。在声学领域，金刚石主要应用于高保真喇叭、声表面波器件、声传感器等。例如，高保真音响追求逼真的音响效果，泛音频率越丰富，音色越逼真。一般人类听觉的频率范围为 16 - 20kHz，而金刚石高音喇叭的频率响应已达到 60kHz，远超人类听觉范围。作为声音重放设备，其频率响应范围应大于实际听觉范围，用于高频扬声器的金刚石喇叭振膜对音色的完整性起着至关重要的作用。
4.热学应用：金刚石具有目前所知天然物质中最高的热导率（2200W/(m・K)），比碳化硅（SiC）大 4 倍，比硅（Si）大 13 倍，比砷化稼（GaAs）大 43 倍，是铜和银的 4 - 5 倍，同时具备低的热膨胀系数（0.8×10⁻⁶ - 1.5×10⁻⁶K⁻¹）和高的弹性模量等优良性能。这表明其在受热膨胀与冷却收缩过程中具有良好的形态保持能力，成为解决散热问题至关重要的热管理材料。典型的热学应用包括金刚石增强金属封装材料（Dianmond/Cu、Diamond/Al）和 GaN 器件金刚石热沉衬底等。金刚石增强金属基封装材料已实现商用，其热导率可达 350 - 600W / (m・K)。随着人造金刚石价格大幅降低，单位体积金刚石颗粒的价格已接近甚至低于 W、Mo 等难熔金属，为大规模生产创造了必要条件。极高的热导率与电绝缘性能相结合，使金刚石成为许多高功率密度设备的首选散热器。激光二极管结处散热是 CVD 金刚石的早期应用之一。近期，在晶圆数量级上，CVD 金刚石与 GaN 的集成已成为可能，这种集成可在无线电频率下实现更高的功率密度。
5.力学应用：由于碳原子半径小，碳原子之间形成的共价键键能大、键长小、稳定性高，使得金刚石成为自然界已知的最硬物质（约为 1×10⁴kg/mm²），硬度是 GaN 的 5 倍，SiC 的 3 - 4 倍，Si 的 10 倍。金刚石被广泛应用于工业生产及加工过程，可用作切削各种硬、脆材料及高硬度高韧性金属材料的刀具刀头、石油钻井钻头或勘探钻头以及超硬磨料。同时，因其摩擦系数极低，可用于制作金属丝拉丝模等，被誉为 “工业牙齿”。精密或超精密车刀是 CVD 单晶金刚石作为切削材料的成功应用之一。单晶金刚石内部无晶界，可加工获得极高的平直度和锋利度；通过刀具的超光洁表面和无缺陷副切削刃的作用，可获得极低的表面粗糙度，实现镜面加工效果，广泛应用于加工原子核反应堆及精密光学仪器的反射镜、计算机硬盘等超精密镜面零件，也可用于加工复印机滚筒、隐形眼镜等日常办公或生活用品。此外，CVD 单晶金刚石制成的手术刀具因其生物相容性等特点，手术部位损伤小，伤口容易愈合，常用于眼科、神经外科、骨科及口腔科以及生物组织切片等领域。
6.化学应用：金刚石具有良好的化学稳定性，在常温常压条件下几乎不与任何酸、碱发生化学反应，这源于其内部各碳原子间由稳定的共价键相互连接。良好的化学惰性、非磁性、无毒性、亲油疏水性以及生物兼容性等特性，使金刚石在医学植入体领域具有良好的应用潜力。
7.电化学应用：采用掺硼金刚石（BDD）作为电极的电化学氧化法，利用在水中产生的具有强氧化性能的羟基自由基（・OH），能快速高效地降解污水中的有机物。这类电极具有最宽的电化学窗口、极高的析氧电位、极好的化学稳定性，可在强酸、强碱、高盐环境中长时间连续运行，有望成为最具潜力的有机废水处理技术。研究表明，BDD 是一种环保新型电极材料，作为阳极的电化学法对石化、焦化、医药、农药、锂电、化工等多个领域内高盐、高 COD、强酸碱、高氨氮、高毒及难生化等复杂高难度工业废水都表现出了良好的去除效果，几乎都可实现完全矿化，是一种环境友好型的污染治理方法，因而受到越来越多的关注。BDD 电极是一种新型高效的多功能电极，金刚石特殊的 sp³ 键结构及其掺杂后具有的导电性，赋予了 BDD 电极优异的电化学特性。其具有宽电化学势窗口和高析氧电位，析氧反应越难发生，有机污染物在阳极被氧化的概率越大，可提高处理污水效率，降低能耗；低背景电流和双电层电容，有利于检测电解液中的痕量污染物；电化学性能稳定且耐腐蚀，在酸性、中性、碱性条件下均能保持良好的稳定性和电极活性；不易被污染，具有自洁净作用，表面不易发生 “中毒” 污染，能保持电极性能，且电化学氧化的 “试剂” 是电子，无需添加氧化剂，无二次污染。
8.金刚石量子技术的应用：金刚石量子技术为 21 世纪的生物医学和量子信息经济这两个关键领域提供了潜在的解决方案。金刚石中的氮缺陷，即氮空位缺陷（NV），可在室温下稳定存在，且易于集成，是极为优异的固态量子体系。其独特性质使得量子态可在室温下通过激光进行操纵和读出。在基于量子的应用中，人造金刚石充当杂质或缺陷的主体，如同固态原子陷阱。这些杂质的量子特性，例如 NV 色心的自旋态可单独操作并使其相互作用，当采用激光调控 NV 色心自旋态反转后，能级跃迁进而辐射出微波，从而读出它们的量子信息。量子信息基于量子特性，如量子非局域性、纠缠性、不可精确克隆性以及量子相干性等，可实现现有信息技术无法达成的新信息功能，如量子通讯可实现绝对安全的信息传输，量子计算可实现大数分解及极复杂运算，攻克现有密码体系等，具有突破经典信息系统极限的能力，为信息科学发展提供了新的原理和方法。量子信息的主要目标是实现绝对安全的可实用化长程量子通讯和真正意义上的量子计算机。目前长程量子通讯的研究已接近实用阶段。量子信息主要分为量子通讯、量子计算和量子精密测量三个方面。金刚石色心在量子信息科学领域具有广泛的应用前景。此外，纳米金刚石色心根据其特性可用作运输药物和具有标记特性的靶向材料。
9.纳米金刚石润滑油：纳米金刚石具有较大的表面积，且表面有着丰富的官能团，这些特性使其表面具有特殊的吸附性，易于发生化学反应，故经过处理的球形纳米金刚石在润滑油中有着良好的分散性。大量实验表明，在润滑油中加入千分之一的球形纳米金刚石就能有效地提高润滑油的抗磨减震效果，且可广泛应用于各种机械结构中。
四、蓝钻芯科技
蓝钻芯材料相较于目前为数不多的BDD材料的制备，具有更严苛的工艺流程及质量标准，是BDD中的佼佼者。“蓝钻芯”凭借其出色的综合性能，不仅在价值和品质上能够媲美天然蓝钻，更是在材料科学领域树立了新的标杆。作为材料界的王者，蓝钻芯展现出一系列令人赞叹的卓越特性：其半导体材料的禁带宽度高达5.5eV，处于行业领先水平；其超宽的电化学窗口更是铂金的 2 倍，展现出超强的电化学活性；此外，在室温条件下，它的导热系数是铜的5倍，具备极为出色的导热能力；而在硬度方面，蓝钻芯是刚玉的10倍，表现出极高的耐磨性。除此之外，该材料还具备出色的耐腐蚀性、抗辐射能力和良好的生物相容性等多重优势，使其成为众多高科技应用的理想选择。
此外，经过十余年的潜心研发与技术积累，科学家已掌握超大面积人造蓝钻芯生长技术以及纳米晶成核技术，使得蓝钻芯材料具有纳米颗粒的尺寸效应、表面效应、量子效应和界面效应等，在力学、电学、光学等方面表现出了常规材料不具备的性能。另外，蓝钻芯还具有高强度、良好的韧性和延展性，并能够起到显著的增强和增韧作用，同时其表面光滑，摩擦系数小，这些特性使得它在大功率高频芯片、传感器、电极材料等诸多领域有着得天独厚的应用优势。
另外，受限于电极材料，一般的电解只能从水中分解出氢气和氧气，而蓝钻芯作为超级电极，运用的是上述“电化学应用”的方式，和其超宽的电化学窗口，可以将水分子（H2O）瞬间电解并轻松的重构出OH0（羟基自由基）、O3（三氧）、O0（氧原子）、H2（氢气）和O2（氧气）--BLUAMEC水分子重构技术。这一技术在氧端与氢端相关的领域中得到有效的应用。如氧端的OH0、O3、O0，这些因子均具有很强的氧化性，我们称之为“蓝钻富氧因子”，其作用是利用其强氧化性与细菌细胞壁中的脂类双键发生反应，渗透到细菌内部，作用于蛋白质和脂多糖，改变细胞的通透性，导致细菌死亡，也就是具有广谱杀菌能力，其次蓝钻富氧因子还能够氧化分解产生臭味的物质，如氨、甲硫醇、硫化氢等，将其转化为无害的成分，如CO2、H2O等，从而消除异味。除了杀菌、除味，蓝钻富氧因子还具有祛果蔬农残、食物保鲜等作用。尤为可贵的是，在圆满完成消毒除味去农残等使命之后，蓝钻富氧因子会分解为水和氧气，不会在物品表面残留丝毫痕迹，且安全无毒无有害副产物，这一特性是所有化学添加类消毒除味产品皆难以企及的。
特别强调的是，OH0的氧化还原电位是2.80V，仅次于氟（F）的2.87V、O3的氧化还原电位是2.07V，想要在水中电解出诸如OH0、O3这类高ORP的物质，对电极材料本体的抗氧化特性有着极为严苛的要求，哪怕尊贵如铂金也难以胜任。而蓝钻芯本身就是最耐氧化的材料，能够在严苛的工作环境中长时间保持稳定高效的运行。
DEPOSON德百顺蓝钻芯科技志在成为金刚石材料光电声热力多功能应用的创新先锋，引领行业发展潮流。凭借卓越的技术创新能力与不懈的探索精神，为我国金刚石应用领域的开创性发展贡献关键力量，助力我国在全球材料科学竞争中占据领先地位。同时，积极开展国际合作，与全球相关产业携手共进，分享技术成果与实践经验，推动全球金刚石产业的协同发展，为人类社会的科技进步、生活改善创造更多价值 ，让金刚石材料在人类发展的征程中绽放出更加璀璨的光芒。