金刚石行业巨头为何重点发展这种金刚石！（附主要生产企业名单）

2021-09-30 来源：未知

“钻石恒久远，一颗永流传”，在这个七夕，你耳边是否又回响起了这句经典的广告词。钻石（金刚石）的价值自然不菲，无论是商业价值还是在高精尖领域的应用，无不诠释其背后的意义。近年来大单晶金刚石越来越成为行业巨头竞相发展的重点，其目的自然是提高附加值，抢先攻占高端领域。今天小编就带各位聊一聊大单晶金刚石为何贵的如此有意义。

大单晶VS宝石级

金刚石≠钻石

人类对金刚石的追求，确切来说应该从钻石说起，很多人都以为金刚石就是钻石，其实这是不准确的。钻石是指经过琢磨的金刚石，简单理解，金刚石是素颜照，而钻石是美颜照，或上妆照。

素颜VS美颜

金刚石VS钻石

宝石≠钻石

宝石是珍贵的石头，是指那种经过琢磨和抛光后，可以达到珠宝要求的石料或矿物装嵌，一般来说宝石包含钻石、水晶、祖母绿、红宝石、蓝宝石和金绿宝石，甚至是琥珀、珍珠、珊瑚、煤精和象牙都可以纳入宝石范畴。

金刚石按照粒度和质量分为宝石级金刚石（也可理解为钻石级金刚石）、钻头级金刚石、磨料级金刚石。宝石级金刚石(gemdiamond)可用做工艺品和装饰用的金刚石单晶。这种金刚石单晶需要有很大的粒度和较高的质量，简单来说是大尺寸和高品相。

那大单晶和宝石级到底有什么区别呢？

其实两者有千丝万缕的关系，简单来说大单晶金刚石是从材料行业的角度命名的，而宝石级金刚石则是从其商业应用方面命名的，两者的标准虽然有很多相近之处，但依然有差异，后者的还有其他要求。

既然两者都对尺寸提出了要求，那究竟多大的尺寸才称得上大单晶和宝石级呢?

购买钻石时，我们通常听到的是克拉，这是一个质量（重量）单位，规定1克拉等于0.2克或200毫克，克拉又分为100分，如50分即0.5克拉。一般情况下1克拉的钻石，长宽尺寸约为6.5mm，厚度约为1.5mm（金刚石的密度约为3.5g/cm3）。大单晶对尺寸的要求不是十分明确，一般一克拉对应的尺寸就足以称得上是大单晶了。而宝石级金刚石是指金刚石尺寸大于1mm的金刚石单晶。

然而很多时候大家也经常提到宝石级大单晶金刚石，从这里来看，大单晶和宝石级其实差别很模糊，基本上是一回事。

为什么要发展大单晶金刚石？

大单晶金刚石自然是金刚石中的高级货，重点发展这种大单晶金刚石究竟有什么意义呢？主要是其高的商业价值和在高精尖领域的高附加值，简单来说，这些领域能产生更多的收益。

目前人工合成的高品级大单晶金刚石，在性能上已经接近或在某些这方面超越了天然金刚石单晶。由于天然金刚石比较稀少，故人工合成的金刚石单晶已经逐步地代替天然金刚石被广泛应用于工业、科技、国防、医疗卫生等领域。当然这类金刚石还具备其独特的用途，尤其是它可以作为单晶金刚石刀具刀坯的最佳选择材料。

先看一下不同尺寸的单晶金刚石的用途吧，具体如下。

尺寸	用途
1~3mm	单晶拉丝模、单晶刀具等产品
4~5mm	高档首饰上的宝石
6~10mm	更高档的首饰、高档手术刀、高集成度电子芯片基底以及军事、航天等领域

金刚石拉丝模

单晶金刚石刀具

人造钻石戒指

其实从表中不难看出，单晶金刚石的尺寸越大，质量越高，其在高精尖领域的应用就越多，价值也就更大，主要应用如下。

精密切削

金刚石作为一种切削材料主要是利用它的超硬特性，以及它所兼备的高热传导率、高耐磨性、化学稳定性、低膨胀率和它与被切削材料之间的低摩擦系数。据说智能手机的外壳就是用CVD大单晶金刚石做成的超精密铣刀“切”出来的。具体应用如下表所示。

应用类型	应用优势	应用领域
精密或超精密车刀	单晶金刚石内部无晶界，刀具刃口理论上可以加工出原子尺寸级的平直度和锋利度，通过刀具的超光洁表面和无缺陷副切削刃的作用，使加工的表面粗糙度理论值接近于零来获得镜面加工效果。	精密或超精密机械加工领域：原子核反应堆及精密光学仪器的反射镜、计算机硬盘、导弹或太空飞行器的导航陀螺和加速器电子枪等超精密镜面零件，也可以用来加工复印机滚筒、隐形眼镜等日常办公或生活用品。
铣刀	小巧精细，可实现精细加工，加工想效率高，高寿命。	加工光学元件、医用刀片以及微型机床零件上的三维曲线槽，特别是加工成形随意曲率的超细槽。此外还可以用于微距镜组的精加工等。
切刀、手术刀	精密、精细、精准切割。	制作厚度只有几十纳米的生物组织超薄切片，以便使用透射电子显微镜进行观察；高端手术刀进行眼睛和大脑等精密手术；还可以切割光纤。
与CVD或PCD刀具换用	更高的加工效率。	替代CVD或PCD刀具的加工领域。
拉丝模	增加拉丝模综合性能，提高工作效率。	制造高精度金属丝材等。

光学材料

除部分近红外，金刚石具有从X射线到微波整个波段高的透过率，兼备高硬度、高热导率、高化学稳定性和低膨胀系数，是一种优异的光学材料。

应用类型	具体介绍
仪器窗口	用人造Ⅱa型金刚石做成的窗口已经用于快速傅立叶变换红外光谱分析，耐酸、耐碱和耐溶剂，可扩大分析样品的种类。用两片金刚石晶片可以做成可加压的红外窗口，加压压强达到100MPa，扩大了分析样品的硬度范围。用单晶金刚石可以做成红外摄像系统的窗口，具有特别的军事用途。
激光器窗口	大单晶金刚石还能做成大功率激光器的窗口，激光透过率高，耐高温和耐热震，使得激光器的输出功率得到大幅度的提高。
镜头	可在严苛的条件下进行正常工作。
金刚石对顶砧	打磨成光亮型的大单晶金刚石做成金刚石对顶砧，与激光加热、拉曼光谱以及X光衍射等手段联合使用可以用来研究极端高温高压条件下的材料物性，是地质学和行星科学的基本研究手段。

半导体及电子器件

金刚石具有宽的带隙，以及强固的sp3化学键，能将碳原子牢固地锁定在晶格上不易受撞击而离位，金刚石可制成在宇航飞船和原子能反应堆等强辐射环境中正常工作的耐辐射器件。

CVD金刚石膜的主要应用

此外金刚石具有高的电子、空穴迁移率、高的击穿电压、高的热传导率、掺杂可半导体化，是一种很有希望的高温半导体材料。以碳化硅（SiC）、氮化镓（GaN）、氧化锌（ZnO）、金刚石、氮化铝（AlN）为代表的宽禁带半导体材料是第三代半导体材料，具有发光效率高、频率高等特点，在发光二极管、半导体激光器等方面有重要应用。而金刚石禁带宽度大(5.5eV，明显高于其他第三代半导体)，集力学、电学、热学、声学、光学、耐蚀等优异性能于一身，是目前最有发展前途的半导体材料。

尽管金刚石半导体蕴藏着巨大的潜力，但真正制成金刚石半导体还面临着巨大挑战，欧洲和日本已经投入大量资金来开发金刚石半导体。其中国际巨头元素6一直在探究金刚石在高纯度半导体元器件方面的应用。

珠宝首饰

人造金刚石在物理上和化学上是百分之百的金刚石。人造大单晶金刚石，现在已经达到与天然金刚石相媲美，甚至比天然金刚石还要完美的程度，以至于珠宝专家仅凭肉眼或是借助低倍放大镜已经无法区别。除了能合成黄色和无色的金刚石之外，还能够合成天然金刚石中极为稀少的蓝色和粉色金刚石。

蓝色金刚石

合成方法

大单晶金刚石的合成方法主要有两种，即高温高压法（HPHT法）和化学气相沉积法（CVD法）。

CVD法合成单晶金刚石与金刚石多晶膜技术上有很大不同，单晶金刚石合成需要使用有特殊要求的优质单晶金刚石作为基板，即此方法对使用的晶种有特殊要求：其一，晶种必须为纯{100}面组成的单晶金刚石；其二，晶种必须具有一定的尺寸，原则上晶种有多大，才能生长出多大的单晶。这就在一定程度上限制了其产业化，目前元素6基本代表了行业里的顶级水平。

高温高压法（HPHT法）合成金刚石大单晶的方法实际上是温度梯度法，这种方法想相对比较成熟，但也存在一定的局限性。HPHT金刚石的粒度、纯度、可加工性、成形性以及物理化学性质的可调性等都远不能满足现代工业特别是军工与高端科技发展之需。在不考虑成本，单纯考虑技术的情况下，HPHT金刚石的尺寸可以接近10mm，但如果要做到更大尺寸，设备将很难满足要求。主要是能提供超高压强和温度的材料、技术及工艺还达不到要求。另外工艺过程难控、周期长、再现率差、成本高，所得材料有极高的硬度，极难加工成所需形状。HPHT金刚石难于形成较大面积薄膜或片状，物理化学性质也难于调节，从而限制了其应用范围。

两种方法具体对比如下

对比	HPHT法	CVD法
技术细分	静压法为主	热丝法、直流毫弧等离子体法、射频等离子体法、微波等离子体法等
涉及设备	两面顶、四面顶、六面顶和分割球高压装置等。	专用CVD设备
技术优势	5mm以下大单晶技术已经相当成熟，可以实现批量化生产	纯度较高，尺寸大，可以多颗同时生长
技术缺点	产品易含有杂质，易产生缺陷，生长周期长、工艺过程难控、周期长、再现率差	需要高质量的大单晶晶片做晶种，设备昂贵
产品特点	硬度高，加工难度高，不容易形成大面积片状	容易生长成大尺寸，可超过15mm
发展壁垒	大体积顶锤和压缸寿命过短	衬底选择、预处理、生长设备及工艺、生长后热处理、生长层与衬底分离等一系技术环节需要精准优化和控制，晶种尺寸严重影响成品大小
发展方向	增大高压装置的腔体体积	寻找高质量、大尺寸晶种，兼顾高速生长和大面积沉积