金刚石材料近期连获多项突破，散热与电子器件应用前景可期

发布时间：

2026-07-08

近期，金刚石材料在散热、电子器件和光电探测等领域取得了一系列重要突破，多项研究成果为这一“终极半导体”的规模化应用提供了理论支持。

       在解决高性能芯片散热瓶颈方面，杭州电子科技大学郑辉、郑梁、郭晓晓团队提出了一种创新的界面改性策略。针对金刚石与铜之间化学亲和力差、界面热阻显著的问题，他们通过晶体学取向刻蚀结合超薄碳化钼过渡层，对约200微米的金刚石颗粒进行选择性蚀刻，使其比表面积增加了约74倍，并促进了更均匀、更薄的碳化钼过渡层（仅约123纳米）的形成。采用这种方法制备的金刚石/铜复合材料，热导率达到了706 W/m·K。在设备级测试中，相比未使用散热器的情况，该散热器将芯片的峰值结温显著降低了21.4°C，为高功率电子封装提供了一种可扩展、低成本的解决方案。

       与此同时，武汉大学张召富团队从理论层面入手，通过终端改性工程实现了对金刚石器件界面性能的精准调控。他们系统研究了24种不同的金刚石表面终端，成功将其电子亲和能在-3.95 eV到2.71 eV的超宽范围内进行调制。在此基础上，以金刚石/氧化镓异质结为例，实现了能带台阶从0.58 eV到4.34 eV的大范围调控；而在金属/金刚石接触中，肖特基势垒高度也可在-0.78 eV至2.14 eV之间动态调谐。研究还发现，特定的无表面态终端能有效解除“费米能级钉扎”效应，为设计高性能金刚石电子器件打开了新的大门。 

       除了作为复合材料和器件衬底，金刚石本身的导热性能也被发挥到极致。一项研究将高导热多晶金刚石衬底与芯片内微流控冷却技术相结合，实现了创纪录的散热效果。该设计通过在金刚石衬底背面制造微通道，并结合歧管结构实现冷却液的高效分布，在单相水冷条件下成功实现了4099 W/cm²的背景热流密度散热，总热阻低至0.019 cm²·K/W。与文献报道的最佳记录相比，热流密度处理能力提升了2.38倍，总热阻降低了20.8%。对于局部热点，该系统甚至能承受高达73.5 kW/cm²的热流密度，为宽带隙半导体在极端热条件下的工作提供了有效解决方案。 

       在深紫外光电探测领域，湖南大学的研究团队在一篇综述中系统分析了金刚石/氧化镓异质结的应用潜力。金刚石具有超宽带隙（5.5 eV）、超高热导率和良好的p型掺杂能力，而氧化镓带隙（~4.9 eV）匹配日盲紫外区，n型导电性好且制备工艺成熟。两者互补形成的异质结能实现200–280纳米近全谱深紫外探测，同时金刚石的高热导率能有效缓解氧化镓器件的“自热效应”。通过界面优化、掺杂调控等手段，该异质结已能实现自供能探测、日盲成像等多功能应用。综述也指出，未来需聚焦界面钝化、缺陷工程和可扩展制备技术，以推动该体系在实际中的大规模部署。

       这些进展从界面改性、能带调控、热管理结构到新型异质结设计，全方位展示了金刚石材料在电子封装、功率器件和光电传感等领域的巨大潜力，也为克服其应用中的关键挑战提供了可行的技术路径。

聚焦热点

纪念我国人造金刚石诞生60周年系列访谈活动——王明智

金刚石在航空航天领域的应用前景

金刚石微粉的主要应用

金刚石微粉作为一种超硬磨料，具有无比优越的研磨能力，日益受到各工业发达国家的高度重视。金刚石微粉的研磨能力包括对工件的磨削能力和它本身的耐磨损和抗粉碎能力，取决于其显微硬度、粒度、强度、颗粒性状以及热稳定性和化学稳定性。概括起来说，金刚石微粉用作磨料有三大方面； （1）用于树脂粘结工具、金属粘结工具以及电镀工具的制造。 （2）用于工业上、科学上和医学上各种精密元器件的精密或抛光加工。 （3）作为精细磨料用于模具加工、宝玉石抛光加工、宝石轴承加工制造。 金刚石微粉的应用除了用作研磨材料之外，另一大用途就是用作功能材料。例如利用其热学性质和电学性质等。用金刚石微粉混合到热固性树脂聚合物、纤维素、酚酸树脂或者陶瓷片之中，可制成一种具有提高热导率和降低热膨胀性的新材料。把金刚石微粉混合到金属片，如片或不锈钢片可制成具有热导率高、热膨胀性低而重量轻的新型片状材料，在电子工业中可做成高密高能器件用于热控制。 从金刚石用作研磨材料的形式来说，根据有关资料公布的数字，全世界在工业上消耗的金刚石微粉６０％以上是用来制成钻石膏、金刚石微粉混合物和金刚微粉研磨液。

纳米金刚石的用途之精密仪器的超精抛光

我们将纳米金刚石加入到介质当中制成纳米金刚石抛光液，现在主要分为水性抛光液及油性抛光液。 由于纳米金刚石抛光液中纳米金刚石粒子超硬超硬，用它可以去除材料表面细小的凹凸不平，抛光后材料表面的粗糙程度可降低到纳米级，从而使得材料表面光洁度极高。目前纳米金刚石抛光液可用于半导体硅片抛光、计算机磁头的抛光、精密陶瓷加工、宝石抛光、光学玻璃抛光加工等领域。 现在由于计算机的发展，人们对计算机存储的容量要求不断提升，这使得我们要去制造容量更大的磁盘。近年来计算机磁盘储存容量也一直在提高，但是随着储存容量的提高，带来的问题是磁盘与磁头间隙越来越小，已趋近于10NM，磁头和磁盘的表面粗糙度、划痕和杂质粒子均会对计算机磁盘造成损害，由于磁盘与磁头的间距已经到了纳米级，微米级的抛光液已经达不到抛光要求，所以只有纳米级的金刚石抛光液可以满足这一方面的要求。我们拿来纳米金刚石抛光液对计算机磁头进行抛光，发现经过抛光后确实大大提高了磁头表面的光洁度，测得此时的表面粗糙程度为0.09~0.40nm，而采用普通抛光液抛光后磁头的表面粗糙程度为0.45~0.80nm，相比之下纳米金刚石抛光液的效果要好得多，从而计算机磁头的质量也得到提升，我们就可以生产出更精密，储存容量更大的计算机磁盘。抛光时值得注意的是，由于计算机等电子产品最忌腐蚀的产生，所以一定要控制好抛光液的酸碱度，研究发现抛光液的PH 值控制在6.5~8之间较为适宜。由于阴离子Cl-和SO2-的含量会决定抛光液的酸碱度所以在制备用于计算机磁头抛光的抛光液时要控制好Cl-和SO2-的含量，同时注意观察PH值。

山东金属粉末液压机的特性

山东金属粉末液压机适用于粉末干式压制的全自动控制成型，广泛应用于电子、粉末冶金、软磁工业、导电干式压制成型、化工、汽车制造、医药、能源环保工业、玩具工业等。适用的干压粉末包括：黑色和有色金属粉末、电子陶瓷粉末、铁氧体、稀土粉末、硬质合金粉末、PTFE、金刚石和石墨粉末等。 山东金属粉末液压机液压传动系统由动力机构、控制机构、执行机构、辅助机构和工作介质组成。动力机构通常采用油泵作为动力机构，一般为一体式油泵。为了满足致动器运动速度的要求，选择一个或多个油泵。低压齿轮泵;中压叶片泵;高压柱塞泵。各种塑料材料的压力加工和成形，例如不锈钢板和钢板的挤压、弯曲、拉伸以及金属零件的冷压，也可用于粉末制品、砂轮、电木和树脂热固性制品的压制。