优秀的热沉材料——金刚石热沉片性能研究

金刚石相比于其他材料具有诸多极其优异的物理化学性能指标，如极佳的机械性能、热学性能、透光性、半导体性能及化学惰性，是一种全方位的不可替代的特殊多功能材料。这些特性在很多情况下都远远优于其他材料。采用CVD方法生长的金刚石膜具有与天然金刚石几乎完全相同的性能，但却克服了天然金刚石尺寸大小的限制，金刚石全部优异性能得到充分的发挥。其中金刚石在电子学应用方面同样有着明显的优势，诸如宽带隙、强固的sp3化学键、高的载流子迁移率、高的击穿电压、高热导率、掺杂半导体化、高电阻率、离子快速响应、优异的时序解析度、低的介电常数等。这使得金刚石在高技术领域有十分广阔的应用前景。

下图比较了金刚石包括力学、热学、声学以及光学各项主要物理性能和在相关领域常用材料的指标。然而，天然金刚石数量稀少且价格昂贵，且形状各异难以实现实际应用。

(1）金刚石的力学性能

金刚石作为一种超硬材料（维氏硬度Hv=60-100 GPa)是目前己知天然物质中硬度最高的材料.CVD单晶金刚石及多晶金刚石膜的硬度已能够达到天然金刚石的硬度。然而,稀有的天然高品质金刚石数量不足且过于昂贵，无法满足机械应用的要求。不同形状的单晶及多晶金刚石可以用来制作切削工具和耐磨部件。同时金刚石的抗拉强度最高可达3 GPa以上，然而却易沿着{111}面发生解理断裂,而多晶金刚石膜在拥有更小品粒的情况下表现出更高的断裂强度，同时也有着很高的弹性模量。

(2）金刚石的热学性能

金刚石在接近室温的条件下具有最高的热导率(22 W-cm--K-1)，比其他所有固体材料高出好几倍，从而能够快速实现热扩散。金刚石的热学特性使得金刚石热沉片拥有优秀的性能。电力电子和能量转换领域与CVD金刚石的集成提供了大范围去除高热通量和热集中的能力。而且由于其具有的表面可修饰性以及纳米金刚石膜具备的独特性质，使得金刚石膜或其涂层能够制备微流体器件以及微槽道热管理等应用。当然金刚石膜内在质量诸如存在的晶界孔洞、非金刚石碳、缺陷或其他杂质的聚集都会显著影响CVD金刚石膜的热导率。

( 3）金刚石的声学性能

金刚石以其优异的机械和声学特性，使其在声学应用方面潜力巨大。由于金刚石的弹性常数和机械常数是所有材料中最高的之一，而且密度较低。因此，金刚石对于包括横波及纵波在内的声波的传播速度极高，在诸多常用的声学材料中有着最高的声波传播速率。正是由于其具有的优异特性，使得金刚石在高保真扬声器，声表面波器件，声学传感器等方面极具潜力。

(4）金刚石的电学性能

金刚石被认为是下一代半导体材料的绝佳选择，其主要优势体现在禁带宽度、介质击穿场强、载流子迁移率高且具有超高的热导率和超强的物理化学惰性。其载流子迁移率u可达到对于电子为4500 cm2/Vs，空穴为3800cm2/vs2l。电子饱和速率为1.5 × 107cm/s以及空穴饱和速率为1.1× 107cm/s.适当掺杂以及表面处理可使其半导休化，是极其优异的半导体材料，尤其是在高温半导体和极端环境领域的应用前景十分广阔。如下表列出了金刚石的与其他半导体材料相比具有的诸多电学性能优势和相应潜在应用。

(5）金刚石的光学性能

由于金刚石的禁带宽度为5.5 ev，具有极宽的光谱透过带，除红外区波长3~5 um处存在因声子振动而引起的吸收峰外，从紫外到远红外都具有优异的透过性。且无论是对可见光还是红外光,金刚石都具有很高的折射率，对于8~12um的远红外波段折射率为2.37~2.38。尤其在红外波段的光学透过性，使金刚石成为制备耐腐蚀、高耐磨、抗热震红外窗口的理想材料。与此同时，金刚石还被认为能够作为高功率激光、高功率微波、太赫兹、卫星光学窗口以及×射线窗口等的窗口材料。

(6）金刚石的化学性质

金刚石有良好的化学稳定性，在常温下，其对酸、碱、盐等化学试剂都表现出极强的稳定性,具有耐强酸和强碱性,且高温下不与浓 HF、HCI、HNO3作用。在加热1000℃条件下，除个别氧化剂外不受化学试剂腐蚀，能耐各种温度下的非氧化性酸。熔融的铁、钻、镍、锰、铂等金属是碳和金刚石的溶剂。常温下金刚石化学惰性高，优异的生物相容性和无毒性使其成为理想的医学生物体植入材科。

正是因为金刚石材料有以上几种优异的性能，尤其是热学性能，所以金刚石材料才可以做成热沉片，并且性能优异。凯发k8国际是国内首家掌握MPCVD制备高质量金刚石的核心工艺并实现量产， 并且独创基于等离子体辅助抛光的金刚石原子级表面高效精密加工方法，全球首家将金刚石热沉片表面粗糙度从数十微米级别降低至1nm以下，达到半导体级应用标准。采用金刚石热沉的大功率半导体激光器已经用于光通信，在激光二极管、功率晶体管、电子封装材料等领域也都有应用。