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责任与文化

小料科普 | 多彩的人工晶体系列——金刚石

来源:中材高新  发布时间:2020-07-27

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我们都知道,物质是由分子和原子构成的,如果这些分子和原子在空间上按照一定的规律整齐排列,构成的物质就是晶体;反之,如果排列是杂乱无序的,则构成的就是非晶体。生活中常见的晶体有冰、水晶、食盐等,非晶体则有玻璃、石蜡等。

因为晶体从微观到宏观结构上的高度有序,使得它具有一系列优异甚至独特的物理化学性能。大自然中的天然晶体,无论是品种、储量还是质量都非常有限,远远无法满足当代社会种类繁多的苛刻需求,人工晶体制造技术应运而生。

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人造金刚石

作为光、电、声、磁、热、力等等多种能量形式转换媒介的信息功能材料,人工晶体和二十世纪的世界四大发明(激光、原子能、半导体和计算机)密切相关,被誉为新材料领域的璀璨明珠,是高新技术和现代军事技术不可或缺的关键战略材料,从备受瞩目的“半导体芯片”,到人们出行的地铁、机场安检以及医疗的PET/CT、移动通信、LED照明,人工晶体渗透到国民经济的各个领域,默默无闻地发挥着关键的“核芯”作用。

晶体的种类繁多,性能各异,通?梢苑治簿、半导体晶体、激光晶体、非线性光学晶体、闪烁晶体、压电晶体、热释电晶体、声光/电光/磁光晶体、宝石晶体等十多种,对应的应用场景更是琳琅满目、异彩纷呈。

“多彩的人工晶体”系列科普短文,将分门别类介绍给大家。

系列一 金刚石

“钻石恒久远,一颗永流传”。很多人认识金刚石,是从首饰开始的,但这仅仅是它的用途之一,远不是全部。

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金刚石就是我们常说的钻石,是地球上发现的最坚硬物质,没有之一。它是碳的同素异形体(其它还有石墨、碳60、石墨烯、碳纳米管等)。晶体学上,金刚石属于对称性较高的面心立方结构,每个碳原子都以SP3杂化轨道与另外四个碳原子形成共价键,构成正四面体,是典型的单质半导体结构(与硅、锗完全相同)。

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自然界能够被发现和开采的钻石极其稀少,通常每4立方米富矿矿石中才可得到总重1克拉的细碎金刚石,晶莹剔透、无瑕疵的大尺寸钻石更为罕见。

20世纪50年代以来,人们研究开发出多种人工合成金刚石的方法,主要有高温高压法(HTHP)、化学气相沉积法(CVD)、爆轰法等!  1955年,GE公司采用高温高压法首次合成金刚石晶体! 上世纪80年代,全世界掀起了CVD金刚石研究热潮,开发了热丝法(HFCVD),微波等离子体(MPCVD)以及直流电弧等离子体喷射CVD等多种制备方法,为后期的应用奠定了基础。

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天然金刚石晶体

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 高温高压合成金刚石

由于金刚石极其特殊的晶体结构,使得它具有诸多优异的物理化学特性,不仅硬度最高,而且具有最高的热导率,透过光谱最宽,声速最快,以及优异的半导体性能。

利用金刚石极高的硬度,可以制备成各种工具,在加工石材、有色金属、难加工复合材料(如碳纤维复合材料)等方面发挥着不可替代的作用,可实现高效、高精度、环保的加工。

利用其高热导性,金刚石可以作为高功率密度电子器件(高密度集成电路、激光二极管阵列、固体微波功放等)的封装材料,大大提高器件的性能和使用寿命。

金刚石具有优异的红外光学性能,可以作为大功率激光器的输出窗口,使用寿命几乎永久,并且热透镜效应极小。
掺硼金刚石(BDD)具有宽电势窗口和高析氧电位,可用于电化学处理有机废水,尤其是难降解的有机废水,是高效、节能、绿色、无二次污染的环保技术。

我国是开展人工合成金刚石较早的国家之一。中国建材集团所属人工晶体院(当时为非金属矿研究所)于1963年成功合成了我国第一颗人造金刚石。上世纪七十年代,人工晶体院开始研究金刚石工具,并且于八十年代在国内最早开发出金刚石锯,应用于石材的切割加工,带动了石材加工和其它加工行业的技术革命,一举填补了国内空白。

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中国建材集团晶体院大楼

在国家863计划大力支持下,人工晶体院承担了有关CVD金刚石技术的研究项目,并取得令人瞩目的成绩。90年代人工晶体研究院已经在CVD金刚石技术的研究中处于国内领先水平,最早在国内开发出工业级CVD金刚石制备技术、CVD金刚石的激光切割加工技术以及多种工具应用产品。由于出色完成了国家863计划项目,人工晶体院于1997年和1998年分别获得部级科技进步一等奖和国家科技进步二等奖。

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光学级金刚石厚膜

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石材切割锯片

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BDD薄膜

人工晶体研究院还在光学、声学、电化学应用,以及单晶外延技术等方面开展了研究,并与其他单位合作,共同完成了金刚石在声学方面的应用研究,获得2006年北京市科技进步一等奖。结合当前疫情形势,人工晶体院又开展了BDD膜在有机废水处理和高效便捷无污染消杀产品的关键材料和部件研发。

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中国建材集团晶体院新基地大楼

放眼21世纪,金刚石将是最耀眼的明星材料,人们的物质文化生活也将因它而变得更加美好。

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