金剛石具有優良的電學性能：超寬的帶隙，超高的擊穿場強，高電子和空穴遷移率，有望成為“終極半導體”；在聲學上，金剛石在所有材料中具有最高的表面聲波速度和極高的楊氏模量；在光學上，金剛石可透過從遠紅外到紫外小于帶隙能量的光子；在熱學上，其導熱性超過銅，因此金剛石具有跨領域應用的潛力。表1顯示了金剛石材料的性能與其對應的應用領域。

▼ 表1：金剛石材料的性能

功能金剛石的合成

       相對于傳統金剛石高溫高壓(HPHT)合成方法，功能金剛石主要采用(常壓)化學氣相沉積(CVD)的方法。CVD金剛石分為CVD薄膜(常規金剛石膜、納米金剛石膜，厚度小于50μm)和自支撐型厚膜(單晶金剛石和多晶金剛石)。按合成技術分為微波輔助型(MPCVD)、熱絲型和直流型。MPCVD技術是目前主流的合成高質量金剛石的方法。不同CVD技術的比較見表2所示。

▼ 表2：CVD合成金剛石的主要方法及特點

功能金剛石的應用

       ▍寶石級的人造金剛石

       高溫高壓(HTHP)方法是制造培育鉆石的主要方法。化學氣相沉積(CVD)制造培育鉆石方法，近三年突飛猛進，成本大幅減低，工藝穩定性取得明顯進展，已量產并工業批量投放市場。
       ▍金剛石半導體

       金剛石被認為是制備下一代高功率、高頻、高溫及低功率損耗電子器件最有希望的材料，被業界譽為“終極半導體”。金剛石為間接帶隙半導體材料，禁帶寬度約為5.5eV，熱導率高達22W/(cm·K)。室溫電子和空穴遷移率高達4500cm2/(v·S)和3800cm2/(v·S)，遠高于第三代半導體材料GaN和SiC。另外，由于金剛石具有很大的激子束縛能(約80meV)，使其在室溫下可實現高強度的自由激子發射(發光波長約為235nm)，在制備大功率深紫外發光二極管方面具有很大的潛力，在極紫外深紫外和高能粒子探測器的研制中也發揮著重要作用。另外，對于單晶金剛石襯底材料的生長，還要有高的生長速率以及大的晶體尺寸，同時要實現金剛石的半導體功能需要對其進行有效的摻雜，使其具備良好的n型或p型導電性質。

       可以展望，隨著金剛石半導體技術的不斷發展，未來必將突破n型摻雜技術、大尺寸高質量單晶制備及高平整度、高均勻性材料外延技術等瓶頸問題，實現更高功率性能的金剛石電子器件，從而為消費者創造更快、更輕、更簡單的設備。金剛石半導體器件比硅芯片更便宜、更薄，基于金剛石的電子產品很可能成為高能效電子產品的行業標準，其將對一些高新行業和高新技術產品產生顯著影響，包括更快的超級計算機、先進的雷達和電信系統、超高效混合動力汽車、極端環境中的電子設備以及下一代航空航天電子設備等。

       ▍寶石級的熱學應用

       金剛石具有目前所知的天然物質中最高的熱導率(2200W/(m·K))，比碳化硅(SiC)大4倍，比硅(Si)大13倍，比砷化稼(GaAs)大43倍，是銅和銀的4~5倍，低的熱膨脹系數(0.8×10^-6~1.5×10^-6K^-1)和高的彈性模量等優良性能。是一種具有良好前景的優異的電子封裝材料。典型的應用有金剛石增強金屬封裝材料（Dianmond/Cu、Diamond/Al）和熱沉-金剛石襯底GaN器件等。金剛石增強金屬基封裝材料已經商用，其熱導率已可達到 350~ 600W / (m·K)，隨著人造金剛石價格大幅降低，單位體積金剛石顆粒的價格已接近甚至低于W、Mo等難熔金屬的價格，為大規模生產創造了必備的條件。

       極高的導熱系數與電絕緣相結合，使得金剛石成為許多高功率密度設備的首選散熱器。激光二極管結處散熱就是CVD金剛石的最早應用之一。最近，在晶圓數量級上，CVD金剛石與GaN的集成已經成為可能，這種集成允許在無線電頻率下實現更高的功率密度。

       ▍光學應用

       理想的電力傳輸窗口將具有：

       (a)非常低的總吸收(窗口和涂層的吸收系數×窗口厚度。

       (b)低熱膨脹系數(幾何形狀隨溫度的變化較小)。

       (c)高導熱率(將熱量從加熱物體中散開的能力)。

       (d)高強度和楊氏模量(允許使用更薄的窗口)。

       (e)折射率隨溫度變化小。

       金剛石幾乎全部滿足上述要求，多晶金剛石在光學窗口方面有許多應用場景，部分已產業化。除了光學窗口外，多晶金剛石還具有裝飾作用，金剛石的涂層不僅具有閃光效果還有多種顏色。用于高端鐘表的制造，奢侈品的裝飾性涂層以及直接作為時尚制品。金剛石其強度和硬度是康寧玻璃的6倍和10倍，因此也被應用于手機顯示屏和照相機鏡頭。

       ▍金剛石聲學器件

       金剛石密度低，楊氏模量和強度高，這使得它成為一種高性能的高頻聲材料。金剛石，可以在高達70kHz的頻率下保持完美的振動運動而不失真，從而提供幾乎完美的聲音再現。此外金剛石還具有最高的聲表面波速，是用于聲表面波濾波器的優秀材料，能夠提高濾波頻率和功率承受能力。

       ▍摻硼金剛石(BDD)電極

       研究表明BDD是一種環保新型電極材料，作為陽極的電化學法對染料、農藥、抗生素、內分泌干擾物等多種難降解的有機污染物、大分子物質等都表現出了很好的去除效果，幾乎都可實現完全礦化，是一種環境友好型的污染治理方法，因而得到了越來越多的關注。

       采用摻硼金剛石(BDD)作為電極的電化學氧化法，利用在水中產生具有強氧化性能的羥基自由基(·OH)，能快速高效地降解污水中的有機物，這類電極具有最寬的電化學窗口、極高的析氧電位、極好的化學穩定性，可在強酸、強堿、高鹽環境中長時間連續運行，有望成為最具潛力有機廢水處理技術。

       ▍金剛石量子技術的應用

       金剛石量子技術為21世紀的兩個關鍵問題提供了潛在的解決方案:生物醫學和持續增長的信息經濟。金剛石有能力將缺陷變成量子資源，這種缺陷是特定的，即氮空位缺陷(NV)，其獨特的性質使其量子態可以在室溫下使用光來操縱和讀出。在基于量子的應用中，人造金剛石充當雜質或缺陷的主體，像固態原子陷阱一樣起作用。這些雜質的量子特性，例如氮空位缺陷，可以單獨操作并使其相互作用，并且從這些雜質發出的光的光子可以用于讀出它們的量子信息。

       由于金剛石具有廣闊的應用前景、化學惰性、機械硬度、表面改性能力、可調導電性和生物相容性等優點，金剛石作為醫療器械與人體之間的界面被廣泛研究。金剛石涂層已被考慮用于各種醫療設備的應用，包括保護涂層、生物界面和生物傳感器。大尺寸的單晶/多晶金剛石可以制成鋒利的刀片。納米金剛石根據其特性可以用作運輸藥物和具有標記特性的靶向材料。

       ▍納米金剛石潤滑油

       納米金剛石具有較大的表面積，且表面有著豐富的官能團，這些特性使其表面具有特殊的吸附性，易于發生化學反應，故經過處理的球形納米金剛石在潤滑油中有著良好的分散性。近年來，大量的實驗表明，在潤滑油中加入千分之一的球形納米金剛石就能有效地提高潤滑油的抗磨減震效果，而且可以廣泛應用于各種機械結構中。