人造金剛石是在實驗室里模擬天然鉆石的自然形成環(huán)境培育而成的。兩者在晶體結構完整性、透明度、折射率、色散等方面均無明顯差異。

人造金剛石具有天然鉆石的一切優(yōu)異的物理化學性能，使得在精密切削刀具、耐磨器件、半導體及電子器件、低磁探測、光學窗口、聲學應用、生物醫(yī)學、珠寶首飾等方面得到廣泛應用。

人造金剛石的應用前景

一、切削材料和超精密加工領域

金剛石是目前自然界中硬度*高的礦物。除此之外，還具有高熱傳導率、高耐磨性和化學穩(wěn)定性。這些特征決定了金剛石也可以是一種優(yōu)越的切削材料。通過人工培育的大單晶金剛石，可以進一步實現(xiàn)超精密加工，既能降低成本又能提高技術。

二、光學應用領域

金剛石具有從X射線到微波整個波段高的透過率，是一種優(yōu)異的光學材料。比如MPCVD單晶金剛石可以做成大功率激光器件的輸能窗口，還可以做成宇宙探測器的鉆石窗。金剛石兼具耐熱沖擊、耐化學腐蝕及耐機械磨損等特性，在紅外窗口、微波窗口、高功率激光窗口、熱成像系統(tǒng)窗口、X射線窗口等方面都有相應研究和應用。

三、量子器件應用領域

含有氮空位缺陷的金剛石具有獨特的量子特性，能夠在室溫下用特定光束對NV色心進行操作，具有相干時間長、熒光強度穩(wěn)定、發(fā)光強度高的特點，是*研究價值和前景的量子比特載體之一。大量的研究機構圍繞NV色心進行了實驗研究，在NV色心的共聚焦掃描成像、低溫及室溫下NV色心的光譜研究、利用微波和光學方法操控自旋取得了大量的研究成果，在高精度磁場測量、生物成像、量子探測等方面取得了成功的應用。

例如金剛石探測器不懼極端惡劣的輻射環(huán)境和環(huán)境雜光，無需加濾光片，而且可以在室溫和較高的溫度下正常工作，不需要像硅探測器那樣外加冷卻系統(tǒng)。

四、聲學應用領域

金剛石具有彈性模量高、密度低和強度高的優(yōu)點，非常適合用于制作高頻、大功率聲表面波器件，是制作高保真聲學器件的理想材料。

五、醫(yī)療行業(yè)應用領域

金剛石的高硬度、高耐磨性、低摩擦系數(shù)及良好的生物相容性，使其廣泛應用于假體關節(jié)、心臟瓣膜、生物傳感器等方面，成為現(xiàn)代醫(yī)療行業(yè)不可或缺的重要材料。

六、珠寶首飾方面的應用

人造金剛石在顏色、凈度等方面可以與天然金剛石媲美，并且在生產成本和價格方面具有明顯優(yōu)勢。2018年，權威機構FTC將人工合成的培育鉆石納入鉆石類，培育鉆石便開啟了對天然鉆石替代的時代。隨著培育鉆石分級標準的規(guī)范與完善，培育鉆石在消費市場的認可度逐年提高，近兩年全球培育鉆石行業(yè)迅速增長。根據美國管理咨詢公司和安特衛(wèi)普世界鉆石中心聯(lián)合發(fā)布的第十期全球鉆石行業(yè)年度報告，2020年世界天然鉆石總產量下降到1.11億克拉，下降20%，培育鉆石產量達到600萬至700萬克拉，其中50%至60%的培育鉆石是在中國采用高溫高壓技術生產的，印度和美國成為CVD的主要生產中心。隨著國內外知名鉆石品牌運營商和權威鑒定檢測機構的加入，培育鉆石行業(yè)發(fā)展逐漸規(guī)范，消費者認可度逐年提高，培育鉆石在首飾消費市場具有較大的發(fā)展空間。

另外，美國LifeGem公司已經實現(xiàn)了“紀念鉆石”生長技術，以人體中的碳為原料（比如頭發(fā)、骨灰）做成鉆石，用一種特殊的方式幫助家人表達對失去親人的愛，賦予培育鉆石特殊的意義。*近，美國一家熱銷的沙拉醬品牌HiddenValleyRanch還聘請地質學家兼LifeGem創(chuàng)始人DeanVandenbisen用調味品制作出一顆兩克拉的鉆石，并進行拍賣。然而，這些都是宣傳噱頭，并無大規(guī)模推廣生產意義。

七、超寬禁帶半導體領域

前面的應用大家都很容易理解，今天想重點講一講金剛石在半導體上的應用。美國的勞倫斯利弗莫爾國家實驗室的科學家在APL（AppliedPhysicsLetters）上發(fā)表了一篇論文，主要觀點是高品質的CVD金剛石可用于“超寬禁帶半導體”，并將極大推動電網、機車、電動車行業(yè)的發(fā)展。

“超寬禁帶”可以這樣通俗簡單的了解一下：

1、在固體中，電子的能量值是不同的，而且都分布在不同的“能帶”上。有些電子被束縛了，叫做“價電子”；有些能自由地跑來跑去的，叫做“自由電子”。

2、價電子所在能帶與自由電子所在能帶之間的間隙，被稱為“禁帶”或“帶隙”。

3、價電子要成為自由電子，就需要額外獲得能量。這種能量，就是“禁帶寬度”。

4、我們之前用的材料硅（Si），禁帶寬度是1.12eV。

5、后來開發(fā)出了一些材料，增大了禁帶寬度，被統(tǒng)稱為“寬禁帶半導體材料”，可以達到2.3eV以上，比如碳化硅（SiC）。

6、高品質的CVD金剛石就具有這種“超寬禁帶”。

在半導體中，有三個很重要的因素：

（1）載流子遷移率，就是電子跑得快不快；

（2）擊穿場強，反映的是耐電強度；

（3）導熱性。

CVD技術的金剛石，作為高品質的單晶體金剛石，在上面這三個方面的表現(xiàn)極其*。目前已經在MPCVD法制備的大尺寸單晶金剛石上獲得高達1150m2/V的遷移率。高擊穿電壓、高熱導率自不必多說。

科學家PauliusGrivickas說：“我們通過對高純度的CVD鉆石進行鐳射處理，爭取能‘定制’其中的載流子生命周期。”

在半導體技術中，有一個關鍵的設備，叫“光導開關”（photoconductiveswitch），其作用可以理解為“利用激光脈沖進行觸發(fā)”。以前，光導開關的關鍵材料是硅，但是用硅做原材料的開關龐大且笨重。Paulius認為，用CVD金剛石做光導開關材料的話，“大概能縮到指甲蓋這么大小”。這項技術對于培育鉆石行業(yè)（尤其是CVD）的發(fā)展是有積極意義的。一旦以金剛石為基體的寬禁帶半導體可以大規(guī)模應用，那么目前世界上的硅基半導體產業(yè)將面臨巨大變革，金剛石寬禁帶半導體將會*下一次半導體產業(yè)革命。

總之，人造金剛石作為珠寶的發(fā)展空間可以預見，然而，它的科技應用發(fā)展無限且需求可觀。從長遠眼光看，人造金剛石行業(yè)要想長遠穩(wěn)定發(fā)展，必須開發(fā)成為一種生活、生產的必需品，*終應用在傳統(tǒng)工業(yè)及高科技領域。只有盡力開發(fā)它的使用價值才能*大范圍的發(fā)揮它的各項優(yōu)異性能。傳統(tǒng)生產不斷，需求就會不斷。隨著金剛石合成技術的進一步發(fā)展，其重要性已經被一些媒體上升到了“國家戰(zhàn)略”的高度。在天然鉆石日益稀缺、供應受限的今天，人造金剛石行業(yè)或將扛起這面戰(zhàn)略大旗。