近日,中國科學(xué)院院士、超硬材料國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任鄒廣田在院士在金剛石產(chǎn)業(yè)大會上分享時(shí)表示金剛石是集優(yōu)異的電學(xué)、光學(xué)、力學(xué)、熱學(xué)和化學(xué)等特性于一身的超寬禁帶半導(dǎo)體,被譽(yù)為“*半導(dǎo)體材料”、“*室溫量子材料”。
公開資料顯示,使用金剛石的電力控制用半導(dǎo)體開發(fā)在今年取得新進(jìn)展。日本佐賀大學(xué)嘉數(shù)誠教授與精密零部件制造商日本Orbray合作開發(fā)出了用金剛石制成的功率半導(dǎo)體,并以1平方厘米875兆瓦的電力運(yùn)行。
金剛石作為具有獨(dú)特物理化學(xué)特性的新型材料,未來應(yīng)用領(lǐng)域廣闊。
01、IGBT功率模塊下一代散熱材料—金剛石熱沉片
新能源車的電機(jī)驅(qū)動(dòng)部分,*核心的元件就是IGBT。電動(dòng)汽車用IGBT模塊的功率導(dǎo)電端子需要承載數(shù)百安培的大電流,對電導(dǎo)率和熱導(dǎo)率有較高的要求,為大幅提高IGBT功率密度、散熱性能與長期可靠性,高效的散熱方案尤其重要。
金剛石材料的熱導(dǎo)率和電學(xué)特性優(yōu)勢十分顯著,沒有任何明顯短板,其熱導(dǎo)率可達(dá)2000W/m.k,是銅、銀的5倍,又是良好的絕緣體,這也使得金剛石器件擁有更高的功率處理能力,也意味著采用金剛石微波功率器件的電子系統(tǒng)有望擺脫龐大笨重的散熱模塊而實(shí)現(xiàn)輕量化、小型化。此外,在熱導(dǎo)率要求1000~2000W/(m.k)之間,金剛石是*以及*可選熱沉材料,對于IGBT功率模塊的散熱問題,金剛石熱沉片的超高熱導(dǎo)率可以實(shí)現(xiàn)高效散熱。
02、導(dǎo)彈紅外窗口—金剛石光學(xué)窗口
金剛石光學(xué)窗口是一種可在極端條件下使用的一類光學(xué)器件。
導(dǎo)彈導(dǎo)引頭的關(guān)鍵元件之一是保護(hù)光學(xué)與焦平面陣列的多光譜窗。高熱傳導(dǎo)性是其中成功的重要因素。因?yàn)榕c空氣的劇烈摩擦?xí)䦟?dǎo)致窗口溫度的升高,引起紅外探測器的信噪比降低,*終會使窗口不透光。因此,窗口需要冷卻。已經(jīng)驗(yàn)證的一種冷卻窗口的方法是外膜冷卻,這種方法要求窗口必須有強(qiáng)大的熱傳導(dǎo)性。
所有用于窗口制造的備選材料以金剛石為*佳。下表為典型的紅外材料的一些關(guān)鍵特性與金剛石的比較,從表中可以很明顯的看出金剛石的熱膨脹系數(shù)*小,而熱導(dǎo)率*高。
03、量子計(jì)算領(lǐng)域應(yīng)用—量子金剛石
金剛石NV色心是金剛石晶體中的一種缺陷,由一個(gè)取代碳原子的氮原子和相鄰一個(gè)空位(碳原子缺失)組成。NV色心有六個(gè)電子,兩個(gè)來自氮原子,三個(gè)來自與空位相鄰的碳原子,另外一個(gè)是俘獲的(來自施主雜質(zhì)的)電子。
1997年,德國開姆尼茨工業(yè)大學(xué)的研究證明,可以操縱金剛石的單個(gè)NV缺陷并在室溫下提供光學(xué)輸出。這一發(fā)現(xiàn)引發(fā)了金剛石量子技術(shù)領(lǐng)域。
利用這種特性可以制作金剛石磁性傳感器,其中NV缺陷的光學(xué)輸出的亮度取決于磁場強(qiáng)度,從而提出了許多使用NV缺陷的新應(yīng)用。金剛石之所以能提供如此出色的量子缺陷宿主,是因?yàn)槠渚w結(jié)構(gòu),它的超寬禁帶(5.5eV)可以在光學(xué)狀態(tài)下通過躍遷能量來容納一系列缺陷,從而使這些缺陷可以用現(xiàn)成的激光進(jìn)行處理。
目前我國正在向超硬材料強(qiáng)國邁進(jìn),并逐步進(jìn)入超硬向多功能發(fā)展的轉(zhuǎn)型時(shí)期。在鄒廣田看來,納米尺寸金剛石未來應(yīng)用領(lǐng)域之廣,不亞于現(xiàn)有傳統(tǒng)超硬材料!霸谛聭(yīng)用方面,相關(guān)研發(fā)機(jī)構(gòu)可以向?qū)捊麕О雽?dǎo)體領(lǐng)域發(fā)展,解決卡脖子技術(shù)難關(guān)!敝袊茖W(xué)院院士、超硬材料國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任鄒廣田院士表示,而這也需要進(jìn)一步加強(qiáng)研制新型CVD設(shè)備,為大尺寸、高品質(zhì)金剛石晶圓制備和后硅時(shí)代電子學(xué)的發(fā)展奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。
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