纳米结构金刚石的发展动态(二)
日期：2016-8-1点击：5605
上世纪50年代苏联是研制CVD金刚石最早的国家，嗣后日本和美国相继进行了研究与开发，直到1993年De Beers才在马恩岛建厂生产CVD金刚石并开发CVD金刚石产品。当时，日本和美国已拥有相当规模的CVD金刚石生产厂家，并在激烈竞争的领域中有一定优势。然而DeBeers自建厂后不到十年的时间里迅速崛起，其CVD金刚石及制品目前已发展到第二代，占据着国际CVD金刚石市场的主导地位，仪此一例足见DeBeers发展速度迅猛之一斑。但是，他们并没有停留在已获得的辉煌业绩上，在CVD金刚石及制品方面，DeBeers公司虽然已处于国际领先地位，但为了战略上的发展，它最近又扩建了CVD金刚石研究中心。值得注意的是，在南非斯普林斯扩建的工业金刚石合成厂投产仪式上，该公司的非常务主席说过这样的话：“这次扩建是作为我们全球业务不断发展战略的一个部分来实施的，在努力与我们的主要对手竞争时，使我们的生产更加有效能。我们的竞争对于主要在中国和韩国。”目前元素六集团公司的产品品种在不断扩大，特别是已研制出一系列CVD金刚石产品，有磨料产品，也有非磨料产品，在医药、光学、射频、热控和精密仪器等技术部门都有重要的应用。美国是世界上高科技十分发达的工业国家，元素六公司目前正在积极准备以其特有的金刚石产品进军美国市场。
美国Apollo Diamond公司研制用CVD法生长宝石级金刚石，可形成细粒金刚石结晶层覆盖在较大面积上，但至今没有解决生长出大单晶的工艺问题。CVD法发展的前景还在于能生产极纯的金刚石，CVD金刚石最大的潜在应用是在计算机技术。用CVD金刚石作半导体可以制成较大面积，而且可以在温度高达1000°C的条件下工作，硅晶片的最高工作温度只有150°C。因此，CVD金刚石制成的计算机芯片能以高的多的频率和速度工作，工作寿命也长的多。
快速生产钻石大单晶。在美国华盛顿D.C.卡内基研究院地球物理实验室，用CVD法以每小时100um的速度生长出10克拉，半英寸厚的单晶钻石，这一生成速度是HPHT和其它CVD法商业化生产的钻石的5倍。Russell Hemley博士评论道：“用传统的研究方法很难生产出大于3克拉的高质量晶体。”有几个研究小组开始用CVD生长金刚石单晶体，但大的无色无暇晶体的合成仍具有很大的挑战性。我们的10克拉、半英寸的CVD钻石的合成是一项重大突破。大多数HPHT合成金刚石是黄色的，而CVD金刚石大多呈棕色，这限制了它们的光学应用。无色金刚石生产成本高。据报道现在都很小。这一现状限制了这些金刚石作为宝石、光学上和科研中的普遍应用。研究发现，HPHT淬火不仅可增强一些CVD金刚石的光学性能，还可提高硬度。卡内基的研究者已采用新技术用CVD法生产出透明金刚石，且不必经过HPHT淬火。为进一步增加晶体尺寸，上述研究者接着用CVD法在衬底的金刚石片的六个面上生长宝石级金刚石。用这一方法，可获得一英寸(约300克拉)的三维生长无色单晶金刚石。
未来世界最具发展潜力之一的新型纳米材料中，有一种是以金刚石作为表面涂层的纳米导管，将对未来科技发展起巨大的作用。这种以金刚石为表面涂层的新型材料是由意大利两所大学的研究人员共同发明的。这种纳米导管就像一支市面上常见的雪糕，表面包覆着20到100nm厚的金刚石材料。这种新型材料已引起社会各界广泛的注意，特别是电子工业中超薄阴极射线隧道电视，这种电视具有高清晰度的画质，并且这种电视的价钱也比目前普通的平面电视便宜许多。这种材料的锈人之处就是在于其表面覆盖的一层金刚石粉，这种金刚石涂层将给普通的纳米导管带来许多令人惊讶的物理性质。一般的金属分子可以附着在这层金刚石涂料上，这层金刚石还具有极好的光散发性能。金刚石是一种绝缘材料，但是它的表面又呈现出很强的负电性。纳米金刚石导管由高纯度的金刚石组成，这就使得纳米金刚石导管及其上级电子元件之间产生电导性，它们之间可以有电流通过。加上纳米金刚石导管具有良好的光散发能力以及它极低的电压要求，使得这种新型材料可以用来制作高科技平面节能电视。美国阿贡国家实验室的研究员Amanda Barnard认为：“这种新型材料具有良好的导电性和更有效的光散发能力，这些性质使得这种材料可以生产出更精密、更节能的设备来。”目前世界上许多研究人员都在寻求制造电子显示设备的更好材料，而这种新型材料具有很大的发展潜力，或许就是科学家要找的材料。
英国的防务评估和研究署(DERA)和De Beers两者合作研发未来超音声**红外导引头蚀确的保护罩，它应当具有很好的光学性能又可抗快速加热(发射段)和沙、雨的侵蚀(飞行时)。金刚石不仅具有优越的机械性能，又在从近红外到远红外的“全”波段内有很好的光学性能，可说是红外导引头保护罩材料的最后选择对象。BEBID公司用CVD技术生产的保护罩样品在2000年范博洛航展上在严格的保卫下“露面”，其重量相20克。所开发的产品要确保均匀性和形态的可控，以使所获得的红外罩能满足应用的要求。最终成品应保证在红外波段有低损耗、低散射、以使其能较广泛地应用于成像处理器中。DERA称，金刚石罩在长波红外段散射很小，CVD法能制出100mm的保护罩，完全可满足“先进热寻的**系统”的要求。
中世纪的炼金术曾经想方设法把粗金属炼成黄金，而今美国海军研究实验室得科学家更胜一筹，能将废气变成金刚石。据了解，在该实验室附近有一个废水处理厂，每天产生出130万立方英尺的甲烷，这个实验室的化学家詹姆斯﹒巴特勒将处理过的甲烷放在一根华氏4000度高温的钨丝上，过了一会儿，一块闪闪发亮的人造金刚石薄膜出现了。虽然这种金刚石不过千分之几英寸，但硬度却达到了标准。可用于制造耐磨的机器、耐擦的透镜和一流的电子计算机元件，令人十分满薏。
日本东京大学的藤岛昭和东京都立大学的益田秀树教授，最近成功研制出金刚石纳米管材料。因每根细管的直径只有万分之几毫米，因此将其命名为金刚石纳米管材料。它与原子呈筒状结合而成的石墨纳米管材料相似，但排列不同，试制的样品中管口口径为300nm，壁厚只有几纳米，长约10μm，这些超微细管集束后形成一种新材料。目前的平面显示屏就是用石墨纳米管材料电极激发荧光体发光的，如改用金刚石纳米管材料，将明显提高发光效率，在新一代超薄显示屏的开发进程中发挥重要作用。
国外的科技工作者利用气相沉积技术培养出单晶金刚石片(成长速度为每小时lμm)和多晶金刚石片(成长速度每小时几十微米)，以及培养出厚lmm、直径几百毫米未经化合的多晶金刚石片。这些产品包括切割工具、导热器具、光学辐射和x射线观察窗、无粒子计数器、紫外线强度传感装置和声响扩散器等。在金刚石电子学、声学设备、带有金刚石保护层的塑料光学设备等方面正在努力进行研究。
综上述可认为，金刚石是2l世纪最具技术潜力的战略材料。这种自然界最硬的材料有可能成为新世纪电子学的基础。
