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毫米級“寶寶鉆”長成厘米級“成年鉆石”，只要1.5天，這個技術有點牛！

文章來源：賢集網更新時間：2024-05-17 16:19:55

4月2日，走進華東理工大學實驗18樓的底層實驗室，顯微鏡觀察下，一種明星半導體材料在溶液中，從一顆顆小晶核，漸漸長成六邊形的晶片，不僅比傳統方法提速4倍，其尺寸也有了倍增，且擁有前所未有的高性能。

原來，華理團隊基于鈣鈦礦，自主研發高溶質通量的單晶薄膜生長系統，取得通用晶體生長技術突破，相關成果日前見刊國際學術期刊《自然·通訊》，可應用于從光伏、芯片到醫學影像裝備等的核心器件。

1、生長周期從7天縮短至1.5天

金屬鹵化物鈣鈦礦是一類光電性質優異、可利用溶液制備的明星半導體材料，在太陽能電池、發光二極管、輻射探測領域展現出應用前景，被譽為新能源、生態環保等領域的新質生產力，成為學術界、工業界爭相創新研發的目標。

目前，這些光電子器件主要采用多晶薄膜作為光活性材料，但多晶形式的“先天缺陷”顯著降低器件性能和使用壽命。相對于碎鉆般的多晶薄膜，鈣鈦礦單晶晶片如同完美的“非洲之星”鉆石，其極低的缺陷密度僅為多晶薄膜的十萬分之一左右，同時兼具優異的光吸收、輸運能力以及穩定性，成為更理想的候選材料。

然而，國際上尚未有鈣鈦礦單晶晶片的通用制備方法，傳統的空間限域方法僅能以高溫、生長速率慢的方式制備幾種毫米級單晶，極大限制了單晶晶片的實際應用。如何“魔法實施”，華東理工大學清潔能源材料與器件團隊自主研發的鈣鈦礦單晶薄膜通用生長技術，就讓毫米級“碎鉆”長成了厘米級“完美鉆石”。

鈣鈦礦單晶薄膜材料生長涉及成核、溶解、傳質、反應等多個過程，研究團隊揭示出傳質過程是決定晶體生長速率的關鍵因素，使得溶質的擴散系數提高了3倍。在這一高溶質通量系統中，研究人員將原有的晶體生長溫度降低了60攝氏度，生長速率也是原來的4倍以上，生長周期由7天縮短至1.5天。

“這項生長技術具有普適性，可以實現30余種金屬鹵化物鈣鈦礦半導體的厘米級單晶薄膜生長，低溫、快速、可控，而且高通量。”該成果的主要完成人、華東理工大學侯宇教授表示，這為新一代的高性能光電子器件提供了豐富的材料庫，一些難以合成的具有雙金屬結構、多元素合金的單晶，也首次實現了可控制備。

2、在溫和條件下生產人造鉆石

對于鉆石我們并不陌生，作為碳的一種同素異形體，因其非凡的硬度、光彩奪目以及卓越性能而享譽盛名，長期以來吸引著科學家和愛好者的目光。

自然界中的鉆石形成于地球地幔深處的極端高壓（數萬個大氣壓）和高溫（900 至 1400 °C）環境下，其形成過程經歷了數百萬年甚至數十億年的地質作用。

除了在珠寶領域的傳統用途外，鉆石因其卓越的物理和化學性質而在各種行業廣受應用：從工業切削工具到先進電子器件進而到生物醫學器件，鉆石憑借其無與倫比的耐用性、優異的熱導率和電學特性，以及良好的生物相容性，在不同領域發揮著關鍵作用。

近年來，材料科學的進步帶來了人工合成鉆石的突破性發展，一定程度上擴展了鉆石的利用范圍，并提高了其可及性。一般來說，目前有兩種常規的技術，可被用來制備尺寸超過一厘米的人造鉆石。

其一是化學氣相沉積方法，可以沉積出大面積單晶鉆石薄膜或多晶鉆石薄膜。

其二是高壓高溫合成方法，通過模擬地球深部的高溫高壓極端條件，并使用熔融金屬作為催化劑和溶劑，配合適當的溫度梯度，使溶解的碳形成鉆石。

其中，在嚴格控制實驗條件的前提下，可以在 5 至 12 天之內，通過高壓高溫的方式，從鉆石種晶生長出體積達 1 立方厘米的單晶鉆石。值得一提的是，由于高壓高溫組件尺寸的限制，該方法所生長的鉆石尺寸通常被限制在約 1 厘米。

另一方面，高壓高溫技術應用非常廣泛，貝恩公司在 2018 年發布的《全球鉆石產業》調查報告中指出，基于經濟效益等原因，高壓高溫制備的鉆石約占到所有人造鉆石總量的 99%。

3、人造鉆石市場

人造鉆石市場持續升溫，其市場份額在不斷攀升。據最新數據顯示，今年7月，人造鉆石的市場份額已達到了49.9%，接近50%的臨界點，預示著人造鉆石的時代即將到來。本文將結合天然鉆石價格的暴跌，分析人造鉆石市場的未來趨勢。

首先，我們來看看人造鉆石市場的現狀。隨著技術的進步，人造鉆石的品質和外觀與天然鉆石已無二致，而價格卻遠低于天然鉆石。這就使得越來越多的人選擇人造鉆石，而非天然鉆石。尤其是當消費者在購買鉆戒等珠寶時，他們更關心性價比，而非鉆石的來源。

然而，全球天然鉆石價格近期卻出現了暴跌。業內人士預測，未來一年內，天然鉆石的價格可能會再降低25%。這主要是由于全球疫情的影響，使得天然鉆石的開采和貿易受到了嚴重沖擊。但隨著疫情的逐漸控制和全球經濟的恢復，天然鉆石價格有望逐步恢復。

盡管如此，人造鉆石的市場份額仍將繼續上升。一方面，消費者對于性價比的追求，將推動人造鉆石的需求；另一方面，隨著技術的進步，人造鉆石的制造將更加高效，成本更低，也會進一步推動人造鉆石市場的發展。

目前，我國培育鉆石產量占全球產量的一半以上，其中主要采用的方法是高溫高壓法。盡管培育鉆石與天然鉆石有微小的差異，如人工合成的痕跡，但這并不影響其作為鉆石的認可度。

培育鉆石產業的興起代表了我國金剛石產業的崛起。從無到有，我國金剛石產業經歷了長期的發展，如今已占據全球市場的90%份額。培育鉆石的發展和技術突破是這一產業崛起的見證。

總的來說，培育鉆石作為一種新興的鉆石品類，正逐漸受到越來越多消費者的關注。雖然與天然鉆石相比，培育鉆石價格更低，但其與天然鉆石在物理、化學和光學性質上完全一致。隨著培育鉆石技術的不斷進步，培育鉆石有望成為天然鉆石的平價替代品，給消費者提供更多選擇。

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來源：賢集網
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