CVD金刚石材料发展现状分析

摘要：金刚石除具有宝石属性外，还是一种集声、光、热、力、电、量子等众多优异性能于一身的多功能超极限材料，被赋予“钻石恒久远”“工业的牙齿”“终极半导体”等众多美誉，有着很高的商业价值、工业价值和科研价值。化学气相沉积（ChemicalVaporDeposition，CVD）技术的发展，极大地拓展了金刚石材料的应用领域，为激活金刚石的各项终极潜能提供了基础。近年来，大尺寸、高质量、低成本、多样式的CVD金刚石材料不断被开发，终端应用场景已经从早期的工具级，逐渐拓展至装饰、热学、光学，甚至半导体等高端领域，并且呈小幅井喷的态势。围绕CVD金刚石材料的研究与应用现状展开梳理，介绍CVD金刚石生长技术、应用领域和前沿研究进展，并对未来金刚石材料的发展趋势进行展望。

关键词：金刚石化学气相沉积热沉材料光学窗口金刚石半导体氮空位中心

AnalysisoftheDevelopmentStatusofCVDDiamondMaterials

GAOXuhui

UniversityofScienceandTechnologyBeijing，BeijingCity，100083China

Abstract：Besidesofitsgemproperties，diamondisalsoamulti-functionalultra-extremematerialthatintegratesmanyexcellentproperties，suchassound，light，heat，force，electricity，andquantum.Ithasbeenendowedwithmanyreputationssuchas"diamondforever"，"industrialtooth"，"ultimatesemiconductor"，etc.，andhashighcommercialvalue，industrialvalue，andscientificresearchvalue.ThedevelopmentofChemicalVaporDeposition（CVD）technologyhasgreatlyexpandedtheapplicationfiTiKNWUnW7xKZClYGXNz1dZfuBL+vahfHS7QUizbt3so=eldsofdiamondmaterialsandprovidedafoundationforactivatingtheultimatepotentialofdiamond.Inrecentyears，large-size，high-quality，low-costandmulti-styleCVDdiamondmaterialshavebeencontinuouslydeveloped，andandtheendusescenarioshavegraduallyexpandedfromearlytoolleveltohigh-endfieldssuchasdecoration，thermodynamics，optics，andevensemiconductors，showingaslightsurgetrend.Inthispaper，theresearchandapplicationstatusofCVDdiamondmaterialsareconducted，thegrowthtechnologyofCVDdiamond，progressofapplicationfieldsandcutting-edgeresearchisintroduced，andthedevelopmenttrendofdiamondmaterialsinthefutureisprospected.

KeyWords：Diamond;ChemicalVaporDeposition;Heatsink;Opticalwindow;Diamondsemiconductor;Nitrogen-vacancycenter

金刚石具有众多异常优秀的物理、化学特性，并在众多高新技术领域发挥着不可替代的作用。然而，天然单晶金刚石储量极其稀少且尺寸有限，难以满足大规模、低成本、高效率的应用需求。人造金刚石实现了金刚石材料从宝石属性（极其稀少）向工业产品属性的拓展。特别从是20世纪80年代中期至今的40余年，化学气相沉积（ChemicalVaporDeposition，CVD）技术从出现到快速发展（中间经历了数次低谷，但总能在新的应用牵引出现时，重新焕发生机）[1]，使金刚石材料在诸多高新技术领域的应用成为现实。时至今日，CVD金刚石材料的应用遍布诸多领域，有与人们的日常生活息息相关的珠宝首饰、磨削工具、切割工具等普通产品，也有激光窗口、微波窗口、半导体器件、量子计算等前沿科学[2-3]。这些产业化及前沿技术的发展，与CVD金刚石材料的合成技术提升，以及应用需求牵引密不可分。因此，本文将针对CVD金刚石材料相关技术的发展进行简要概述，总结材料合成技术现状，整理典型的CVD金刚石材料应用场景，并对未来CVD金刚石产业的发展进行展望。

1金刚石性质与主要应用场景

金刚石的结构中具有自然界最强的C-C共价键，因此金刚石具有许多独特的优良性质[4，5]。表现为：（1）金刚石的硬度最高，最高可达100GPa，为所有材料之最，是Al2O3的2倍多；（2）具有较高的电阻率Ω（＞1016Ω·cm），可以作为宽禁带半导体乃至绝缘体材料，同时介电常数低（5.5）；（3）禁带宽度宽（5.45eV），载流子迁移率高（电子迁移率4500cm2/V·S，空穴迁移率2300cm2/V·S），被视为最有希望的新一代半导体芯片材料；（4）在常温下，金刚石导热速度很快，其导热率高达2000W/（m·K），几乎是纯铜的4倍；（5）宽光谱透光，几乎可以透过从紫外线到红外线的各种波长的光线；（6）声传播速度快，为15000～16500m/s，是钛基材料的1.7倍；（7）化学稳定性极好，并且耐腐蚀，抗辐射，特别适用于军用以及其他恶劣环境。这些无与伦比的力、声、热、光、电等综合性能，决定了它在各个领域不可估量的应用前景。

不过，天然金刚石地下储藏量极少，按照2019年自然资源部公布的数据，世界范围内探明天然钻石储量大约有25亿克拉[6]，还不及目前全球人造金刚石年产量的1/8。且天然钻石开采不易，尺寸非常有限，不能满足工业领域对金刚石材料的应用需求。金刚石材料的人工合成技术的出现，颠覆了传统对金刚石（钻石）的认识，真实使金刚石材料从稀有的珠宝变为能够大规模应用的工业产品。特别是CVD技术的发展，更是进一步拓展了金刚石材料的应用高度和广度。在CVD技术发展的初期，金刚石材料一般只能合成出多晶结构，且常含有非金刚石成分，大量的晶体缺陷以及杂质的存在，使CVD金刚石材料的性能远不如天然金刚石。然而，随着近年来制备装备与工艺的不断发展，高质量CVD金刚石材料（大尺寸金刚石膜及金刚石单晶）的制备获得了很大成功。而今，人工合成金刚石材料的性能已经可以媲美天然金刚石，且尺寸更大，成本更低，制备效率更高。

基于金刚石材料的上述优良性质，金刚石膜在众多领域具有重要的应用价值。例如：基于金刚石极高的硬度以及物理化学稳定性，将其涂敷在硬质合金刀具表面，其性能和PCD（多晶金刚石）刀具性能相当，且成本更低；金刚石热导率极高，采用金刚石膜或自支撑金刚石制作的热沉材料，可显著提升高功率电子器件热管理水平；金刚石极高的声传播速率，使其成为制造宽音频高保真喇叭膜的理想材料。另外，在电子器件领域广泛应用的声表面波器件（SurfaceAcousticWave，SAW），也可以利用金刚石膜最高的弹性模量、最高的纵波传声速度，来进一步提升器件的机电耦合系数，从而显著改善器件性能水平；金刚石具有化学惰性，同时由纯碳元素构成，不与人体发生排斥反应，因此，可用于制作各种植入体用于生物医疗；用金刚石膜复合金属靶材制成的X射线复合窗口材料，具有高的穿透能力及热导率，可显著改善X射线发射能力；在高声速红外光学窗口、高功率微波窗口、激光窗口等尖端装备方面，高品质的金刚石膜材料都是最佳的选择。此外，利用金刚石宽禁带宽度、高载流子迁移率、高抗辐照特性等性能，金刚石膜用于制作粒子探测器以及宽带宽半导体器件等，都具有非常很好的应用前景[7]。近年来，人工合成金刚石单晶（钻石）已经非常成熟，产品也早已进入宝石市场，实现了巨大的经济价值和社会效益。

总之，金刚石以其优异的性能与较好的应用前景，受到了极大的关注和重视。特别是近年来，CVD金刚石材料的应用已不再局限在上述领域，随着材料合成技术、加工技术、应用领域的不断发展，CVD金刚石材料有望在不远的将来作为新型光学材料、半导体材料、生物应用材料、量子材料等在众多高新技术领域中找到了用武之地，并且有着较好的发展空间和前景。

2CVD金刚石合成技术现状

CVD金刚石合成的基本原理就是在化学气相沉积过程中，含碳气体、氢气等混合物通过热能、强电场、微波等能量进行解离获得含碳自由基以及解离氢原子，通过结构重构、原子氢刻蚀等一系列气相反应，最终实现金刚石（薄膜或单晶）的生长。虽然在典型的化学气相沉积工艺条件下，热力学上石墨比金刚石更稳定，但氢原子通过将石墨型sp2键转变为金刚石型sp3键实现金刚石的合成[8]。根据激发源的不同，目前应用最广泛的三类合成技术分别是热丝化学气相沉积、微波等离子体化学气相沉积，以及直流电弧等离子体喷射化学气相沉积。

热丝化学气相沉积法（HotfilamentChemicalVaporDeposition，HFCVD）：通过加热灯丝，高温（2000℃以上）使反应气体（氢气、甲烷等）电离分解。被分解的反应物分子或离子被输送到衬底表面，从而实现金刚石材料生长。与其他化学气相沉积技术相比，HFCVD方法的优点在于它能够直接合成大面积金刚石（最大可达1m2以上），同时具有较高的沉积速率和较低的沉积成本，可用于涂层刀具、电化学电极材料合成。

直流电弧等离子体喷射化学气相沉积法（Direct-CurrentArcPlasmaJetChemicalVaporDeposition，DC-ArcJetCVD）：在惰性气体环境中，通过金属阴阳电极之间的电弧放电，激发腔室中的反应气体。DC-ArcJetCVD的特点是生长速率较快、沉积面积大、质量高等优点，可用于切割、导热以及部分光学用金刚石材料合成。

微波等离子体化学气相沉积法（MicrowavePlasmaChemicalVaporDeposition，MPCVD）：通过微波电场激发反应气体分子产生的等离子体，在衬底上沉积金刚石膜。MPCVD法的优点在于沉积得到的金刚石膜质量高、设备易操作等。目前，市场上的人造金刚石（钻石），主要来源于高温高压（HighPressureHighTemperature，HTPT）、MPCVD两种技术，而MPCVD可以实现更大尺寸、更高纯度钻石合成。

3种主流技术各具特点及优势，在不同细分领域快速发展。微波等离子体CVD技术，沉积环境纯净、等离子体放电稳定，主要面向高品质多晶金刚石以及单晶金刚石领域；直流喷射等离子体CVD，主要面向高质量、大尺寸、低成本的CVD金刚石材料制备；热丝CVD则主要面向更大面积的涂层金刚石工具，但其合成的金刚石质量，目前还无法与前述两种方法媲美。

3CVD金刚石材料的应用与研究现状

CVD金刚石材料（宝石以及工业用CVD金刚石）正在快速发展，金刚石已成为一个全球性的重要材料。美国商务部于2022年发布了对中国关于金刚石半导体材料的出口禁令。2021年，CVD金刚石材料的市场规模超过了80亿美元[9]，并且始终保持8%以上的复合增长率。现有的产品主要集中在宝石、刀具、导热片以及少量光学、声学领域，在半导体、量子、生物等领域，目前仍处于研究热点阶段。

• CVD金刚石涂层工具

金刚石涂层工具指的是在原工具表面沉积一层金刚石膜用于提升工具抵抗力学冲击的能力。金刚石涂层工具应用面广，制备简单高效，成本相对较低，其性能较原始工具可提升数量级。一些大型的工具公司，如Sandvik、Mitsubishi和Crystallume等都研发了金刚石涂层工具产品。金刚石涂层工具也是最早实现金刚石膜工业化应用的领域之一。

• CVD多晶金刚石工具

CVD金刚石可用于制作刀具坯料、拉丝模芯、减磨润滑涂层等工具，已经应用于高速切削、拉丝成形、机械研磨等领域，具有良好的应用价值及市场规模。

• CVD金刚石导热片

CVD金刚石极高的热导率以及物理化学稳定性，使其成为高功率电子器件热管理领域的最佳热沉材料。以金刚石作为热沉片的功率放大器、负载、衰减器等产品，已经形成一定的市场规模，并且以极快的速度发展，是目前CVD金刚石材料应用发展最快的方向。

• CVD金刚石电极

金刚石膜经掺杂后可赋予其一定导电能力，同时仍然保持金刚石优秀的物理化学稳定性与宽的电位窗口特性。金刚石薄膜电极已成功用于传统方法难以处理的工业和民用废水的电化学处理、抗冠状病毒环境的消毒和灭菌、医疗应用的生物传感器和探测器等的研发和原型设备。

3.5CVD金刚石光学片

CVD金刚石光学材料宽的透光波段、低的辐射系数以及表面耐磨特性，使其成为极端环境（高速、砂蚀、雨蚀、热冲击、酸碱）最佳的光学窗口材料。目前，CVD金刚石光学窗口材料已经具备少量的市场需求，而且随着下游产业的进一步发展，金刚石光学窗口材料的需求有望呈指数增加。

3.6CVD金刚石扬声器

金刚石声传播速率高、分割振膜的频率高、总谐波失真小、高功率承受能力，是制作高品质扬声器的理想材料。

CVD金刚石材料，在上述领域已经形成了较为稳定的市场规模，部分领域正以极快的速度增长，市场前景广阔。

4CVD金刚石在前沿基础科学领域的研究现状

CVD金刚石材料在上述力学、热学以及光学领域，已经形成了较好的产业规模，且仍在快速发展。主要得益于CVD金刚石材料合成技术的不断提升，同时也是新需求的不断涌现，供需两端的相互牵引，为现代工业经济的发展提供助力。除此之外，CVD金刚石材料在信息技术等前沿科学领域发挥着重要作用，起到推动基础学科发展，引领前沿科技进步的作用。

4.1CVD金刚石半导体技术

金刚石半导体被誉为“终极功率半导体”。在禁带宽度、电子迁移度、热传导率等诸多方面明显优于其他半导体材料。越来越多的大学和机构在推进金刚石半导体材料的研发和产业化，部分金刚石半导体已经开始逐步迈向实用化。

4.2CVD金刚石探测器技术

金刚石具有高载流子迁移率和宽禁带宽度，以及极佳的抗辐照性能，是制作辐射探测器的优良材料。高的电阻率也使漏电流减小，抗干扰能力更强。金刚石辐射探测器可以在500℃以上的温度尝试稳定工作，远超其他射探测材料。

4.3CVD金刚石/同位素核电池

CVD金刚石与放射源集成后，放射源中发出的β射线会穿过金属层进入金刚石中，使金刚石中碳原子电离，产生电子空穴对。电子和空穴会在内建电场的作用下向2个方向移动，从而形成电流。金刚石/同位素核电池支持模块化，可由几十个或几百个独立的单元模块组成，可以制造不同尺寸和容量功率的电池产品，真正实现“永不充电”的清洁能源。

4.4CVD金刚石量子器

金刚石中可构建氮空位（NV-）中心，使其具有独特的电子自旋特性，并且可以在室温下被控制和读出。利用这个特性，可将其应用于（量子）安全通信、（量子）计算、（量子）成像和（量子）传感等。金刚石量子技术非常有前景，许多应用已经处于概念性验证阶段。关于金刚石量子器件的研究，有望成为引领未来科技发展的标志性工作。

5CVD金刚石材料未来发展展望

总之，CVD金刚石材料产业近40余年历程，时至今日，CVD金刚石材料已经在众多领域发挥着不可替代的作用。CVD金刚石材料产业的发展，既离不开广大从事CVD金刚石材料研究的科研工作者，以及产业领域的从业人员，兢兢业业，持续耕耘地付出；同时，也离不开国家层面在该领域的持续支持，CVD金刚石材料产业发展到今天的规模，可喜可贺。展望未来CVD金刚石材料产业，仍将在以下多个方面持续发力，不断突破。

新的CVD金刚石合成理论、合成装备、加工装备、检测技术有望出现，CVD金刚石材料的制备效率将得到极大提升，金刚石产品的工艺技术和性能不断得到改进和提高；CVD金刚石材料单位成本大幅度降低，从而为进一步拓展其应用场景奠定基础；对CVD金刚石材料的潜能不断挖掘，新型应用领域必将更加广泛，未来CVD金刚石行业将会涉及更多的领域，如电子信息、清洁能源、量子通信等。

综上所述，CVD金刚石材料产业规模将会不断扩大，其应用领域也将更加广泛，CVD金刚石材料必将成为未来新材料行业的发展热点之一。

参考文献

[1]吕反修，李成明.我国化学气相沉积（CVD）金刚石膜研究三十年[J].人工晶体学报，2022，51（5）：753-758.

[2]李成明，任飞桐，邵思武，等.化学气相沉积（CVD）金刚石研究现状和发展趋势[J].人工晶体学报，2022，5（5）：759-780

[3]王凡生，刘繁，汪建华，等.金刚石半导体器件的研究进展[J].武汉工程大学学报，2020，42（5）：518-525.

[4]崔万俊.金刚石薄膜发展前景[J].半导体技术，1997，10（5）：12-13.

[5]周鹏飞，陈贵莲，张荣福.金刚石薄膜的制备及应用[J].光学仪器，1999，21（4-5）：208-211.

[6]自然资源部.钻石“往事”与用途知多少[EB/OL].（2019-02-22）[2024-02-26].https：//www.mnr.gov.cn/dt/kc/201902/t20190222_2396205.html.

[7]周健，傅文斌，袁润章.微波等离子体化学气相沉积金刚石膜[M].北京：中国建材工业出版社，2002：25-29.

[8]舒国阳，RALCHENKOV，BOLSHAKOVA，等.大尺寸单晶金刚石同质连接技术[J].自然杂志，2019，41（2）：100-110.

[9]NEBELCE.CVDdiamond：areviewonoptionsandreality[J].FunctionalDiamond.2023，3（1）：2201592.