认识金刚石的另一面

认识金刚石的另一面

       2022年12月2日下午2:30在公司餐厅二楼会议室参加哈工大朱嘉琦教授《红外薄膜及应用》线上视频学习，了解到金刚石材料及应用、热界面材料及应用、飞机智能舷窗在国产C929大飞机上的应用、红外薄膜及应用。延伸金刚石在半导体芯片、相控式雷达、航空航天领域等的研究应用，拓展对金刚石全面认识的知识面，提供了很大的帮助，所以，认识金刚石的“另一面”很有必要。

     随着大功率、高发热组件小型化、集成化的发展，发热量呈现数量级增加，超高热流密度器件的高效散热已经逐渐成为高集成度相控阵雷达、高功率电子系统和高性能数据中心等重大应用的关键技术瓶颈。如电子芯片、雷达系统和先进的射频系统等，在电子器件中的失效原因中，有超过一半都是过热导致，为解决散热这个棘手问题，金刚石晶体材料成为了最好的考虑对象，金刚石具有超高的导热系数、无与伦比的机械强度、优异的热力学特性等一系列卓越性能, 是实现“后摩尔”时代电子、光电子、量子芯片以及芯片散热的基础性材料之一，微观研究对不同尺度的晶体材料中声子输运行为进行合理预测。利用声子玻尔兹曼方程，忽略声子输运过程中的波动效应并借鉴气体输运动理论，采用声子数密度分布函数描述不同声子模的分布，从而建立描述声子输运的动理论框架，为金刚石在半导体应用领域提供基础理论支撑。

      在微机电系统、深空、深海探测任务等对于长效、便携电源提出了更高的要求。同位素电池由于其能量密度高、功率输出稳定，可以在高低温、无太阳光照等极端环境下持续不断地为月球车，海底探测器等提供能量。作为同位素电池中的主要类型，辐射伏特效应同位素电池由于其理论能量转换效率高，易于微型化被广泛研究，并已经成功应用于心脏起搏器。宽禁带的半导体换能结器件制作的同位素电池能够获得更高的能量转换效率。宽禁带半导体中的代表金刚石5.5 eV的禁带宽度与耐辐射的特性使其成为制作辐射伏特效应同位素电池换能结器件的最佳选择。随着化学气相沉积技术的发展，金刚石晶体的外延技术突飞猛进，为金刚石半导体器件的发展打下了材料基础。

      多光谱复合探测技术的快速发展，单一波段隐身已远不能满足现代战争的隐身需求，多光谱隐身功能集成技术的开发势在必行。目前，在军事中最主要的探测手段是雷达探测和红外探测，然而，雷达隐身和红外隐身对材料属性的要求是相互矛盾的。雷达隐身要求材料满足微波波段高吸收低反射的特性，而红外隐身则要求材料满足红外波段低吸收或低发射率的特性。与此同时，多光谱隐身结构要兼顾光学透明特性以应用于在飞机座舱等特殊环境中已经成为一种迫切的需求。研究开发具有可变损耗色散的材料以满足多光谱兼容性的相互冲突的参数要求是至关重要的。需要特定的工程要求来设计一种兼顾可见光波段高透过、红外波段低发射和微波波段宽带吸收的多光谱兼容金刚石材料解决座舱等光学窗的多光谱隐身的难题。

      金刚石的各种电子器件已经广泛开展研究，包括MOSFET、散热器、探测器、核电池和电化学应用等。为了开发出具有空间环境中可靠应用潜力的芯片。金刚石在带隙、载流子迁移率和位移能方面优于硅（Si）和氮化镓，更适合在高温和高辐射环境中使用。因此，未来的技术应该考虑用金刚石代替深空探测和核电站用微处理器中的硅。随着集成度的提高，散热已成为制约现代集成电子技术发展的重要因素。此外，深空探测、核电站、地热井筒监测和其他高温应用的应用使得有必要在高温下测试逻辑电路的性能。

      钻石内部色心的量子系统由于存在强的碳碳键而不受外部环境的影响。与常用的量子系统相比，如冷原子系统、离子阱和约瑟夫森结，它们需要超低温或高真空环境来最小化噪声水平，而钻石内的色心在室温和常压下即可表现出优异的量子相干特性。这在量子信息处理、量子计算和快速发展的量子检测领域中具有广泛的潜在应用前景。

      金刚石/金属基复合材料因为其高导热、低热膨胀率被人们誉为下一代的热管理材料，具有巨大的应用前景。然而，因为金刚石的高硬度，目前并没有很好的抛光打磨等后处理方法，因此金刚石/金属基复合材料的近净成形工艺是目前人们研究的重点。其中，金刚石/金属基复合材料的3D打印技术引起了人们的广泛关注。目前，哈尔滨工业大学已经破解该技术的难题且做出了各种产品。

      电子信息时代的到来，便携式通信设备在我们的生活中越来越重要，由无线网络控制的电子元器件和复杂电路不可避免地产生大量电磁辐射，严重影响敏感电子设备系统的正常运行和人体健康。考虑到柔性的光学电子器件在动态和现实环境中的运行可靠性，迫切需要具有高透明度、快速自修复性和良好抗撕裂性的高效电磁干扰屏蔽（EMI）材料，但由于弹性衬底的动态性能普遍较差，现有材料往往难以兼顾所有需求。因此，金刚石材料具备成为便携式通信设备的条件，特别是手机等电子产品。