一颗天然金刚石需要碳原子在地下150-200公里的深度下，经历上亿年的高温高压才得诞生，而呈现到人们眼前还得继续随着时间的推移，被地质的运动带到地球表面，可谓十分稀缺。于是人们通过模拟天然金刚石的结晶条件和生长环境，采用科学方法合成了同样具有超硬、耐磨、抗腐蚀等优良性能的人造金刚石，把金刚石的合成时间缩短至十几天甚至几天。人造金刚石有单晶和多晶之分，它们各自具有独特的晶体结构和特性，使得它们在应用中有所区别。

一、单晶金刚石

单晶金刚石是由具有饱和性和方向性的共价键结合起来的晶体，是金刚石晶体中最常见的类型，其结晶体内部的微粒在三维空间呈有规律地、同期性地排列，具有缺陷少、无晶界制约的特点，因此在导热性、硬度、透光性以及电性能上有突出的优势。

1、导热应用

金刚石的热导性能基本上来自碳原子振动（即声子）的传播，金刚石中的杂质元素、位错和裂纹等晶体缺陷，残留金属催化剂及晶格位向等因素都会与声子发生碰撞使其发生散射，从而限制了声子的平均自由程，降低热导率。而单晶金刚石具有高度有序的晶格结构，使得其几乎没有晶界散射的影响，因此具有高达 2200 W/(m·K)的导热系数，与此同时，金刚石具备化学性质稳定、高绝缘性、介电常数小等特性，基于这些优异的性能，单晶金刚石有望在半导体衬底等多领域大幅应用。

金刚石衬底

2、光学应用

CVD 法所制备的高质量单晶金刚石，可做到完全无色透明，几乎没有任何杂质，其高度有序的晶体结构也使得光在晶体中传播时不受到结构不规则性的干扰，因而呈现出更为卓越的光学性能。它具有最宽的透过光谱，从紫外的225nm到红外的25μm（波长1.8μm-2.5μm除外），以及到微波范围内，单晶金刚石都具有优良的透过性，理论透过率高达71.6%，用单晶CVD 金刚石制作的微镜片(光学仪器中的透镜、棱镜等)以及红外窗口都具有极佳的性能，目前已应用于航天领域。此外，单晶金刚石是一种性能优异的晶体拉曼材料，使得拉曼激光可以实现更高的增益、更高的功率密度和可变波长 ，为高功率激光的发展提供了新的机遇。

3、切削应用

单晶金刚石刀具的显微硬度高达10000HV，因此具有良好的耐磨性。由于单晶金刚石的刀刃可以达到原子级的平直度及锋利度，切削时可以将刀刃完美的状态，直接复制在被加工物上，加工出光洁度极高的镜面，确保获得极高的尺寸精度，并在能够在高速切削和重负荷下保持刀具的寿命和性能稳定，适用于超薄切削和超精密加工，在加工有色金属时，表面粗糙度可达Rz0.1～0.05μm， 被加工工件的形状精度控制50nm以下。同时由于其摩擦系数低，加工时变形小，因此可减小切削力。

聚晶金刚石（多晶体）与单晶金刚石石刀显微状态及切削示意

（来源：郑州华菱超硬材料有限公司）

4、研磨抛光

单晶金刚石分散性好，尖角的利用率更高，因此制备成研磨液时，浓度相对与多晶金刚石要低很多，其性价比也就比较高，更适合用来抛光陶瓷一类要求不那么高的材料。

单晶（左）、多晶（右）金刚石研磨液显微示意

多晶金刚石

多晶金刚石的结构是由众多细小的纳米级小颗粒通过不饱和键结合而成，与天然的黑金刚石（以黑色或者暗灰色为主色的天然多晶金刚石）极为相似。与单晶金刚石相比，多晶金刚石晶粒呈无序排列，韧性好，具有更大的表面积，在承受更高的压力，不会出现大面积破碎，目前主要有以下几个应用方向：

1、半导体领域

作为半导体材料，金刚石多晶与单晶材料的应用方向大有不同。多晶金刚石的光性能和电性能等不如单晶金刚石优异，在光学级、电子级多晶金刚石膜的应用上相对苛刻，在制备上要求沉积速率理想和缺陷密度极低或可控，但在导热方面，多晶金刚石仍有着接近2000 W/(m·K)的导热系数，因此多晶金刚石膜一般是作为半导体功率器件散热的热沉应用。相较于单晶金刚石，其沉淀的技术水平也较容易实现，制备成本的优势也更加明显。

金刚石热沉片

2、研磨抛光

由于多晶金刚石晶粒呈无需排列，当受高压时产生的微破碎可被限制在微晶的小范围内，不会出现大的解理面破碎，具有良好的自锐性，因此允许在研磨和抛光时使用较高的单位压力。在研磨抛光过程中，随着微晶颗粒的脱落，多晶金刚石磨料会不断地露出更多同样粗糙和尖锐微晶，这意味着不论工件的方向如何，它都拥有很多的切削刃，不仅材料去除率高，而且对样品表面的抛光更柔和，可避免对工件表面造成划伤，特别适用于蓝宝石、碳化硅等衬底的加工以及用来研磨表面由不同硬度材料构成的工件。

受压时，多晶（左）、单晶（右）金刚石解理面破碎示意

3、切削刀具

相较于金刚石大单晶，多晶金刚石的无序晶体结构赋予了其更耐冲击的特性，切割时不容易产生崩裂现象。因此应用时限制较少，应用范围更为广泛，同时其与非金属和有色金属材料之间的亲和力极低，在使用过程中不易产生粘刃现象。

参考来源：

1、《金刚石单晶、多晶、类多晶、聚晶的区别小结》, 中国超硬材料网.

2、《金刚石半导体？干货知识与科研团队大盘点！》,DT半导体材料.

3、《化合积电高品质单晶金刚石重磅发布！》,化合机电.

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