我們都知道，物質(zhì)是由分子和原子構(gòu)成的，如果這些分子和原子在空間上按照一定的規(guī)律整齊排列，構(gòu)成的物質(zhì)就是晶體；反之，如果排列是雜亂無(wú)序的，則構(gòu)成的就是非晶體。生活中常見(jiàn)的晶體有冰、水晶、食鹽等，非晶體則有玻璃、石蠟等。

因?yàn)榫w從微觀到宏觀結(jié)構(gòu)上的高度有序，使得它具有一系列優(yōu)異甚至獨(dú)特的物理化學(xué)性能。大自然中的天然晶體，無(wú)論是品種、儲(chǔ)量還是質(zhì)量都非常有限，遠(yuǎn)遠(yuǎn)無(wú)法滿(mǎn)足當(dāng)代社會(huì)種類(lèi)繁多的苛刻需求，人工晶體制造技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。

人造金剛石

作為光、電、聲、磁、熱、力等等多種能量形式轉(zhuǎn)換媒介的信息功能材料，人工晶體和二十世紀(jì)的世界四大發(fā)明（激光、原子能、半導(dǎo)體和計(jì)算機(jī)）密切相關(guān)，被譽(yù)為新材料領(lǐng)域的璀璨明珠，是高新技術(shù)和現(xiàn)代軍事技術(shù)不可或缺的關(guān)鍵戰(zhàn)略材料，從備受矚目的“半導(dǎo)體芯片”，到人們出行的地鐵、機(jī)場(chǎng)安檢以及醫(yī)療的PET/CT、移動(dòng)通信、LED照明，人工晶體滲透到國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域，默默無(wú)聞地發(fā)揮著關(guān)鍵的“核芯”作用。

晶體的種類(lèi)繁多，性能各異，通常可以分為超硬晶體、半導(dǎo)體晶體、激光晶體、非線(xiàn)性光學(xué)晶體、閃爍晶體、壓電晶體、熱釋電晶體、聲光/電光/磁光晶體、寶石晶體等十多種，對(duì)應(yīng)的應(yīng)用場(chǎng)景更是琳瑯滿(mǎn)目、異彩紛呈。

“多彩的人工晶體”系列科普短文，將分門(mén)別類(lèi)介紹給大家。

系列一 金剛石

“鉆石恒久遠(yuǎn)，一顆永流傳”。很多人認(rèn)識(shí)金剛石，是從首飾開(kāi)始的，但這僅僅是它的用途之一，遠(yuǎn)不是全部。

金剛石就是我們常說(shuō)的鉆石，是地球上發(fā)現(xiàn)的最堅(jiān)硬物質(zhì)，沒(méi)有之一。它是碳的同素異形體（其它還有石墨、碳60、石墨烯、碳納米管等）。晶體學(xué)上，金剛石屬于對(duì)稱(chēng)性較高的面心立方結(jié)構(gòu)，每個(gè)碳原子都以SP3雜化軌道與另外四個(gè)碳原子形成共價(jià)鍵，構(gòu)成正四面體，是典型的單質(zhì)半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)（與硅、鍺完全相同）。

自然界能夠被發(fā)現(xiàn)和開(kāi)采的鉆石極其稀少，通常每4立方米富礦礦石中才可得到總重1克拉的細(xì)碎金剛石，晶瑩剔透、無(wú)瑕疵的大尺寸鉆石更為罕見(jiàn)。

20世紀(jì)50年代以來(lái)，人們研究開(kāi)發(fā)出多種人工合成金剛石的方法，主要有高溫高壓法（HTHP）、化學(xué)氣相沉積法（CVD）、爆轟法等。·  1955年，GE公司采用高溫高壓法首次合成金剛石晶體?！?上世紀(jì)80年代，全世界掀起了CVD金剛石研究熱潮，開(kāi)發(fā)了熱絲法（HFCVD），微波等離子體（MPCVD）以及直流電弧等離子體噴射CVD等多種制備方法，為后期的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

天然金剛石晶體

 高溫高壓合成金剛石

由于金剛石極其特殊的晶體結(jié)構(gòu)，使得它具有諸多優(yōu)異的物理化學(xué)特性，不僅硬度最高，而且具有最高的熱導(dǎo)率，透過(guò)光譜最寬，聲速最快，以及優(yōu)異的半導(dǎo)體性能。

利用金剛石極高的硬度，可以制備成各種工具，在加工石材、有色金屬、難加工復(fù)合材料（如碳纖維復(fù)合材料）等方面發(fā)揮著不可替代的作用，可實(shí)現(xiàn)高效、高精度、環(huán)保的加工。

利用其高熱導(dǎo)性，金剛石可以作為高功率密度電子器件（高密度集成電路、激光二極管陣列、固體微波功放等）的封裝材料，大大提高器件的性能和使用壽命。

金剛石具有優(yōu)異的紅外光學(xué)性能，可以作為大功率激光器的輸出窗口，使用壽命幾乎永久，并且熱透鏡效應(yīng)極小。
摻硼金剛石（BDD）具有寬電勢(shì)窗口和高析氧電位，可用于電化學(xué)處理有機(jī)廢水，尤其是難降解的有機(jī)廢水，是高效、節(jié)能、綠色、無(wú)二次污染的環(huán)保技術(shù)。

我國(guó)是開(kāi)展人工合成金剛石較早的國(guó)家之一。中國(guó)建材集團(tuán)所屬人工晶體院（當(dāng)時(shí)為非金屬礦研究所）于1963年成功合成了我國(guó)第一顆人造金剛石。上世紀(jì)七十年代,人工晶體院開(kāi)始研究金剛石工具，并且于八十年代在國(guó)內(nèi)最早開(kāi)發(fā)出金剛石鋸，應(yīng)用于石材的切割加工，帶動(dòng)了石材加工和其它加工行業(yè)的技術(shù)革命，一舉填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)空白。

中國(guó)建材集團(tuán)晶體院大樓

在國(guó)家863計(jì)劃大力支持下，人工晶體院承擔(dān)了有關(guān)CVD金剛石技術(shù)的研究項(xiàng)目，并取得令人矚目的成績(jī)。90年代人工晶體研究院已經(jīng)在CVD金剛石技術(shù)的研究中處于國(guó)內(nèi)領(lǐng)先水平，最早在國(guó)內(nèi)開(kāi)發(fā)出工業(yè)級(jí)CVD金剛石制備技術(shù)、CVD金剛石的激光切割加工技術(shù)以及多種工具應(yīng)用產(chǎn)品。由于出色完成了國(guó)家863計(jì)劃項(xiàng)目，人工晶體院于1997年和1998年分別獲得部級(jí)科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)和國(guó)家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)。

光學(xué)級(jí)金剛石厚膜

石材切割鋸片

BDD薄膜

人工晶體研究院還在光學(xué)、聲學(xué)、電化學(xué)應(yīng)用，以及單晶外延技術(shù)等方面開(kāi)展了研究，并與其他單位合作，共同完成了金剛石在聲學(xué)方面的應(yīng)用研究，獲得2006年北京市科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)。結(jié)合當(dāng)前疫情形勢(shì)，人工晶體院又開(kāi)展了BDD膜在有機(jī)廢水處理和高效便捷無(wú)污染消殺產(chǎn)品的關(guān)鍵材料和部件研發(fā)。

中國(guó)建材集團(tuán)晶體院新基地大樓

放眼21世紀(jì)，金剛石將是最耀眼的明星材料，人們的物質(zhì)文化生活也將因它而變得更加美好。