中國粉體網(wǎng)訊 金剛石因其具備超高硬度、出色熱導率、良好光學性能以及化學穩(wěn)定性等固有特性，在半導體、超精密加工、激光技術、電化學傳感等諸多關鍵領域有著不可替代的應用價值。現(xiàn)階段，工業(yè)金剛石的合成手段主要集中在高溫高壓（HPHT）法與化學氣相沉積法（CVD）這兩大類別。高溫高壓法合成金剛石，其原理是在高溫（一般1000℃以上）和高壓（5GPa以上）條件下，使碳源（如石墨）在金屬催化劑的作用下發(fā)生相變，碳原子的排列結構從石墨的層狀結構轉變?yōu)榻饎偸牧⒎骄Ц窠Y構，從而形成金剛石。據(jù)行業(yè)統(tǒng)計與調研數(shù)據(jù)顯示，當前約90%的工業(yè)金剛石是通過HPHT技術來合成的，這凸顯了HPHT技術在工業(yè)生產體系里的核心地位，也促使對其在功能金剛石材料制備方面的深入研究顯得尤為必要，關乎眾多產業(yè)能否實現(xiàn)進一步的技術突破與升級。
HPHT相較于CVD工藝的優(yōu)勢剖析
（一）成本方面
設備成本較低：高溫高壓法所使用的設備相對簡單，主要是六面頂壓機等，其結構較為緊湊，制造成本相對不高。而化學氣相沉積法需要配備復雜的真空系統(tǒng)、氣體輸送系統(tǒng)、微波或射頻發(fā)生裝置等，這些設備的研發(fā)、制造和維護成本都較高。
生長速度快：高溫高壓法合成金剛石的速度通常比化學氣相沉積法快，能夠在較短的時間內獲得一定尺寸和產量的金剛石，從而提高生產效率，降低單位生產成本，適合大規(guī)模工業(yè)生產。
原料成本低：高溫高壓法的主要原料是石墨粉和金屬觸媒粉等，這些原料來源廣泛，成本相對較低。而化學氣相沉積法需要使用高純度的甲烷、氫氣等氣體作為碳源，這些氣體的制備和提純成本較高，增加了生產成本。
（二）產品性能方面
硬度和耐磨性高：高溫高壓法合成的工業(yè)用金剛石具有與天然金剛石相近的硬度和耐磨性，在鉆探、切削、磨削等工業(yè)加工領域能夠表現(xiàn)出優(yōu)異的性能，有效提高加工效率和產品質量。
熱穩(wěn)定性好：高溫高壓法合成的金剛石在高溫環(huán)境下的穩(wěn)定性較好，能夠承受較高的溫度而不發(fā)生明顯的性能變化，適用于一些需要在高溫條件下進行加工或使用的工業(yè)場景，如高溫爐的部件制造、金屬材料的熱加工等。
技術成熟度高：高溫高壓法合成金剛石的技術已經(jīng)發(fā)展了幾十年，技術相對成熟，工藝穩(wěn)定可靠。生產過程中的各項參數(shù)控制和操作流程已經(jīng)較為完善，能夠保證產品質量的穩(wěn)定性和一致性。而化學氣相沉積法雖然近年來發(fā)展迅速，但在大規(guī)模工業(yè)生產中仍面臨一些技術難題，如如何進一步提高生長速率、降低缺陷密度、實現(xiàn)大尺寸單晶金剛石的穩(wěn)定生長等，技術成熟度相對較低。
（三）產品尺寸和形狀方面
小顆粒金剛石產量高：高溫高壓法在合成小顆粒金剛石方面具有優(yōu)勢，能夠大量生產粒度均勻、品質穩(wěn)定的小顆粒金剛石，滿足工業(yè)生產中對金剛石微粉等小顆粒產品的大量需求，如用于制造研磨膏、拋光液、金剛石線鋸等。
可合成異形金剛石：通過調整模具和工藝參數(shù)，高溫高壓法還可以合成各種形狀的異形金剛石，如片狀、柱狀、針狀等，以滿足不同工業(yè)應用場景對金剛石形狀的特殊要求，如用于制造刀具的刀片、鉆頭的切削刃等。而化學氣相沉積法主要以生長薄膜狀或片狀金剛石為主，在合成異形金剛石方面相對困難。
HPHT在核心功能金剛石材料制備的前沿進展
（一）大尺寸單晶金剛石
當前，憑借對HPHT設備溫度、壓力控制系統(tǒng)的精細化調校，結合前沿的觸媒材料研發(fā)成果以及精準的籽晶定向生長技術，科研團隊已在大尺寸單晶金剛石合成領域取得重要突破。如濟南金剛石科技有限公司實現(xiàn)了最大粒徑20mm大尺寸金剛石單晶的生長，且擁有成熟的厘米級尺寸金剛石單晶生產與加工工藝。但是HPHT法受高壓設備體積限制，晶體尺寸提升空間有限。并且使用該方法時需引入催化劑促進成核，導致金剛石內部雜質難以有效減少，影響其在電子級半導體等對純度要求高的領域的應用。
（二）多晶金剛石
HPHT法合成的多晶金剛石具有硬度高、耐磨性強等特點，廣泛應用于制造刀具、鉆頭、磨具等工業(yè)領域，能夠有效提高加工效率和產品質量。通過調整工藝參數(shù)，如溫度、壓力、保溫時間等，可以控制多晶金剛石的晶粒尺寸、相組成和性能，以滿足不同工業(yè)應用場景的要求。
（三）摻硼金剛石（BDD）
在BDD材料研發(fā)進程中，科研人員通過精心設計合成工藝路線，精準引入特定雜質元素、營造多元氣氛環(huán)境，借助HPHT技術成功激活BDD材料獨特的電學、力學與化學性能組合優(yōu)勢。硼摻雜金剛石單晶的摻雜效果主要表現(xiàn)為導電性的改變。在高溫高壓下，硼原子取代金剛石單晶中的碳原子，形成硼摻雜金剛石單晶。硼原子的加入使金剛石單晶中的空穴濃度增加，從而提高了材料的導電性。當下，BDD電化學傳感器憑借超寬禁帶寬度（通常大于5eV）、優(yōu)異化學穩(wěn)定性以及良好導電性，在環(huán)境監(jiān)測、水質檢測領域得到廣泛應用，能夠精準檢測出水中痕量重金屬離子，為生態(tài)環(huán)境安全提供了可靠保障；在生物醫(yī)學檢測領域，BDD電極憑借獨特表面性質與電化學反應活性，對復雜生物樣本響應迅速、檢測準確，為疾病早期診斷、生物標志物精準檢測提供了新途徑。
（四）金剛石-銅導熱材料
金剛石-銅導熱材料結合了金剛石的高導熱性和銅的良好導電性與機械加工性能，具有超高導熱、高電阻率、高擊穿場強、低介電常數(shù)、低熱膨脹等特點，能有效解決高功率電子元件的散熱問題，提高電子產品的性能和可靠性，在5G通信、新能源汽車、航空航天等領域有重要應用需求。通常采用粉末冶金、電鍍、化學鍍等方法將金剛石顆粒與銅基體復合在一起，但存在金剛石與銅界面結合強度低、金剛石含量受限等問題。HPHT法為制備金剛石-銅導熱材料提供了新途徑，可在高溫高壓下實現(xiàn)金剛石與銅的直接結合，提高界面結合強度和材料的綜合性能。
2024年12月24日，中國粉體網(wǎng)將在河南·鄭州舉辦“2024半導體行業(yè)用金剛石材料技術大會”。屆時，我們邀請到河南工業(yè)大學教授栗正新出席本次大會并作題為《HPHT制備功能金剛石材料研究》的報告，栗正新教授將為您具體介紹HPHT在制備大尺寸單晶、多晶、BDD和鉆-銅導熱材料等方面的研究現(xiàn)狀與趨勢。
個人簡歷：
栗正新，男，1964.12月出生，河南工業(yè)大學材料學院教授，博士生導師，河南工業(yè)大學高新產業(yè)技術研究院名譽院長，首席科學家，商丘市產業(yè)創(chuàng)新發(fā)展研究院院長，全國超硬材料行業(yè)協(xié)會專家委員會副主任、全國磨料磨具行業(yè)專家委員會常務主任、全國磨料磨具標準化委員會委員，鄭州航空港超硬材料研究所名譽所長，河南省高校學術技術帶頭人，河南省機械工程學會常務理事，九三學社河南省委常、河南工業(yè)大學委員會主委。《金剛石與磨料磨具工程》期刊編委、《超硬材料工程》期刊編委。
參考來源：
郝敬林等: 高溫高壓合成摻雜金剛石研究進展
賈曉鵬：超純與摻雜金剛石大單晶的高溫高壓合成
毛夢嬡：高溫高壓合成金剛石的機理、工藝及特征研究
（中國粉體網(wǎng)編輯整理/留白）
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