金刚石薄膜的性能及其应用
金刚石具有一系列优异的性能，包括已知物质中最高的硬度、弹性模量耐磨性，极高的电阻率、击穿场强和低的介电常数，宽的光谱透过范围，极高的热导率，极低的线膨胀系数，很宽的禁带宽度，极高的载流子迁移率以及非常好的化学稳定性等，因此金刚石一直是人们十分关注的具有优异性能和应用前景的材料。
金刚石薄膜的来源
碳以非晶态的炭黑、石墨、碳-60(C60)、金刚石四种同素异构的形式存在其中石墨是由6个碳原子以sp2键组成蜂窝状的6原子环，许多6原子环连成层状，然后层与层相连，形成层状结构的石墨晶体;碳-60(C60)是由六十个碳原子组成球状结构的晶体;在金刚石的晶体结构中，每个碳原子都以sp键杂化轨道与4个碳原子形成共价单键。4个碳原子排列在四面体锥角顶端，而四面体的每个顶角均为相邻的4个四面体所共有。同素异构体由于结构不同，性能也完全不同。
在1952至1953年之间，美国Eversole采用循环反应法在600~1000℃和10~100Pa气压下分解含碳气体，在金刚石籽晶上生长出金刚石，首次证实了低气压条件下也能够制备出金刚石。采用这种循环高温热分解的方法往往需要金刚石作为衬底，金刚石属于同质外延生长，再加上循环过程，从而降低了金刚石的沉积速率(~1nm/h)，因此它的应用很不理想。1955年美国通用电器公司(GE)首次采用高温高压法(HTHP)制造出人造金刚石。由于它的硬度和耐磨性，人造金刚石在工业上有很宽的应用范围，包括切割或者加工机械零部件抛光或者研磨光学材料等。然而高温高压法(HTHP)也有较大的缺点，主要是HTPT法对设备要求苛刻，成本高，制造出的人造金刚石都是尺寸在纳米到毫米之间的小单晶颗粒，还不能用常规的方法加以锻造、加工、成型，而且也无法制成膜状的金刚石，因此只能利用其高硬度特性，限制了金刚石优良性能的开发利用。
1968年Angus等人采用低温低压化学气相沉积法(CVD)在天然金刚石上制备出金刚石薄膜，首次发现沉积过程中氢原子的出现会优先刻蚀石墨而不是金刚石。1982年Matsumoto等人在化学气相沉积(CVD)金刚石薄膜技术方面取得突破性进展，他们使用热丝(~2000℃)活化热丝附近的氢和碳化合物，使金刚石沉积到与热丝相距10mm的非金刚石衬底上。在金刚石的沉积过程中，石墨被氢原子刻蚀，从而免去了循环反应法要求的沉积与刻蚀交替循环的过程，提高了金刚石薄膜的生长速率，同时也改善了非金刚石衬底上金刚石薄膜的质量。从此，各种CVD金刚石薄膜制备技术不断地涌现、改进和完善。原子氢在金刚石薄膜生长过程中扮演的角色也在逐渐被人们所认识。金刚石的生长速率也在逐步趋近工业化标准的要求。除了化学气相沉积法(CVD)还有物理气相沉积法(PVD)能够沉积金刚石薄膜。
金刚石薄膜力学、声学性能及其应用
金刚石具有优异的力学及声学性能。金刚石的硬度为100GPa，是目前已知材料中最大的。金刚石的高硬度、高耐磨性，再加上其摩擦系数极低，使金刚石成为极好的工具材料。将金刚石薄膜直接沉积到刀具表面，可以制备出不同几何形状的金刚石涂膜刀具，显示出长寿命、切割速率快、高加工精度、高加工质量等优越性，比传统的碳化物工具有更好的性能，在加工非铁系材料领域具有广阔的应用前景。现今，已有用切割的金刚石厚膜做的镶嵌刀具和金刚石膜涂覆的刀具在市场销售，成功用于切削有色、稀有金属、石墨及复合材料特别适宜航空、汽车工业所用高硅铝合金材料的切削加工。
金刚石具有大的弹性模量、杨氏模量，也是所有物质中，体声波及表面声波速度最快的材料。目前声表面波(SAW)器件已成功地应用在卫星通信、移动通信、光纤通信等许多方面。近年来，随着大容量数据传输的需求，高频SAW器件的需求与日俱增，从最初的MHz级发展到现在的GHz级。SAW器件的频率正比于材料的声传播速度，反比于叉指换能器(IDT)的周期。近年来人们逐渐认识到高声速衬底材料上沉积压电薄膜构成的层状结构能提高SAW播速度。
从1989年至今，日本、欧美等国开始了以金刚石膜为衬底的高频SAW器件方面的工作，并取得了一定的研究进展。通过不同的压电材料沉积在金刚石薄膜衬底上，形成了ZnO/diamond/Si、Si02/ZnO/diamond/Si、AlN/diamond/Si、LiNbO3/diamond/Si、LiTaO3/diamond/Si等结构的SAW器件，器件的各项综合性能正在不断地改善中。人们预言如果进一步改善制备工艺，金刚石膜SAW器件的频率完全可以达到10GHz甚至更高。金刚石膜高频SAW滤波器不仅在频率上高于传统的SAW滤波器，在功率耐久性、高保真传输方面也必将优于传统的 SAW 滤波器。
此外，在扬声器件震动板上沉积金刚石薄膜，作为高保真扬声器高单元的振膜，具有比普通的震动膜更大的声速和杨氏模量，是高档音响扬声器的优选材料。
金刚石薄膜的热学性能及其应用
近年来，现代电子器件与电路正向高集成、高速度、多功能、高功耗方向发展。在一个芯片上集成上亿个元器件，IC集成度不断提高，单个元件尺寸不断缩小，一方面有极大的应用潜力和经济效益，另一方面也导致了器件与电路单位体积内热耗散量的大幅度增加。例如，目前单个芯片所产生的热量已从原来的10W增至40W;传统的发射极耦合逻辑(ECL)电路的热流量会高达50W/cm2;而动态随机存储器也会有20W/cm2的热流量。集成电路封装管壳是芯片的导热通道，因此微电子技术的发展要求制作封装管壳的基片材料具有极高的热导率，以便及时地将芯片所产生的热量散发出去。金刚石具有许多优异特性，其中最为突出的是它的热导率在所有材料中是最高的，达20W/cm·K。
金刚石属于声子导热，在常温下金刚石的导热速率比目前大多数散热片所用的铜材料高4倍以上。同时金刚石比热很小，无法积累热能，且能承受骤冷骤热时的热冲击，因此是极好的热沉材料。另外，金刚石热膨胀系数与硅材料很接近很适合与集成电路搭配，研究表明金刚石上允许的功率使用容量为硅材料上的2500倍。同时，金刚石具有比目前开发出的所有高热导基片，如BeO、AL2O3、AIN和SiC低得多的介电常数。此外，金刚石禁带宽，常温下具有极高的电阻率(1014Q·cm)。这些特性与金刚石所具有的最高硬度、良好的机械特性、化学稳定性、频率稳定性及优异的温度稳定性等结合在一起，使金刚石成为最理想的散热和热沉封装材料。
近年来，随着金刚石薄膜制备技术的发展，使金刚石薄膜沉积在大规模集成电路、大功率半导体器件上的应用变成现实。目前，将CVD金刚石膜作为高功率半导体激光二极管的热沉材料已经实现了商业化。
金刚石薄膜的光学性能及其应用
金刚石禁带宽度为5.5eV，从225nm到远红外具有很高的光谱透过性能，再加上金刚石还有很高的硬度、强度、热导率以及极低的线膨胀系数和良好的化学稳定性，这些优异性能的综合使得金刚石薄膜成为可以在恶劣环境中使用的极好的光学窗口材料。在从紫外到远红外的很宽的波长范围内作为光学窗口材料的金刚石膜可以有两种应用形式，即单独做成窗口或者作为其它材料上的窗口涂层。通常波长在8-12μm范围的红外光学窗口材料是ZnS,ZnSe和Ge，虽然这些材料有优异的红外透过性,但由于太脆等缺点而容易受损。
金刚石具有高的透明性高的耐化学腐蚀性以及强的抗热冲击能力，是较理想的红外窗口材料。例如，目前许多红外光学窗口材料都采用了高生长速率、高质量的自支撑金刚石膜。金刚石的折射率为2.41，比典型的介电材料高，却低于大多数半导体材料金刚石比硅、锗、II-VI族化合物、铅盐等用于红外探测器的材料的折射率要低，金刚石薄膜作为红外器件的涂覆层，是很有应用潜力的材料。此外，据分析，硅太阳能电池的效率能够达到40%，而涂覆有金刚石薄膜的锗太阳能电池其效率能够达到88%。
目前，金刚石薄膜除了用于红外光学窗口材料、增透膜外，还可用来做可见光学窗口以及X射线光刻掩模材料等。
金刚石薄膜的电学性能及其应用
由于金刚石禁带宽度较宽，电子和空穴迁移率很高，再加上击穿电场高、介电常数小、电阻率大、热导率高等特性，非常适合于高集成化的半导体器件在高温、高偏压、高功率、高辐射条件下使用。故其有望取代硅，用作制备耐高温、抗辐射等恶劣条件下工作的电子器件的理想材料。
自1994年起欧洲粒子研究中心(CERN)资助的的RD42研究组开展了化学气相沉积方法(CVD)制成的金刚石用于带电粒子追踪的研究工作。经过几年的研究取得了一些进展他们采用CVD金刚石薄膜获得了微条状列阵探测器和象素列阵探测器，并研究了这些探测器在探测高通量介子、中子、质子、y射线、X射线和紫外光下的性能。结果显示，在高剂量粒子和又射线辐照下，金刚石电学性能也不会降低。研究表明，金刚石探测器具有很强的抗辐射能力，能够在极其恶劣的环境(高温、强化学腐蚀)下工作，在高能物理实验装置、空间带电粒子测量、地震预报、辐射医学、核技术领域应用有很好的应用。
近年来，人们发现金刚石具有负电子亲和势、开关功能、能实现一定程度的p型掺杂和n型掺杂等性能，并围绕这些特性开展了相关的应用研究，并取得了一定的进展，如用于平板显示用的场发射冷阴极的制备一直是近年来国际学术界的研究热点，金刚石薄膜是一种极有希望的平板显示用阴极材料，可用于制造冷阴极电子发射器件和平板显示器件，美国、日本等国家已经投入了大量的人力和财力。
由于金刚石获得好的n型掺杂比较困难，实现金刚石双极型p-n结暂时还很难实现。目前研究的重点主要集中在金属半导体场效应晶体管(MESFET)和金属绝缘体场效应晶体管(MISFET)上。
CVD金刚石薄膜还可用于制备在高偏压作用条件下的快速光开关(60ps)具有航天、军事方面的用途。
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