什么是金刚石？

金刚石是碳元素（C）的单质同素异构体之一，为面心立方结构，每个碳原子都以sp杂化轨道与另外4个碳原子形成σ型共价键，C—C键长为0.154nm，键能为711kJ/mol，构成正四面体，是典型的原子晶体 ，集超硬、耐磨、热传导、抗辐射、抗强酸强碱腐蚀、可变形态（单晶/多晶）等诸多优异性能于一身。

行业中时常提及的石墨、富勒烯、碳纳米管、石墨烯和石墨炔，均属碳的同素异形体。碳具有sp ^3^ 、sp^2^和sp三种杂化态，通过不同杂化态可形成多种碳的同素异形体，而金刚石则是通过sp^3^杂化形成。

从结构上来说，金刚石与同处在第IV族的硅（Si）、锗（Ge）均为金刚石结构，天生就就是做半导体的料 ^[4]^ 。而让金刚石半导体成为终极半导体材料的底气来自于其优异的特性，据粗略估计，金刚石作为半导体的性能比硅高出23000倍，比氮化镓（GaN）高120倍，比碳化硅（SiC）高出40倍。

既然各项参数优异，利用这些参数又能做成什么器件？

金刚石属超宽带隙半导体材料，带隙高达5.5eV，使其更适合应用于高温、高辐射、高电压等极端环境下；热导率可达22W·cm ^-1^ ·K ^-^ ^1^ ，可应用于高功率器件 ；空穴迁移率为4500cm ^2^ ·V ^-1^ ·s ^-1^ ，电子迁移率为3800cm ^2^ ·V ^-1^ ·s ^-1^ ，使其可应用于高速开关器件；击穿场强为13MV/cm，可应用于高压器件；巴利加优值高达24664，远远高于其他材料（该数值越大用于开关器件的潜力越大） 。另外，由于金刚石激子束缚能达到80meV，使其在室温下可实现高强度的自由激子发射（发光波长约235nm），在制备大功率深紫外发光二极管和极紫外、深紫外、高能粒子探测器研制方面具有很大的潜力。

除上述器件以外，金刚石还能够被应用到核聚变反应堆中的兆瓦回旋振荡管的高倍光学镜片、X射线光学组件、高功率密度散热器、拉曼激光光学镜片、量子计算机上的光电学器件、生物芯片衬底和传感器、两极性的金刚石电子器件等先进领域。^[9]^

半导体的材料特性

金刚石是材料革命的第四代选手。

第一代以锗和硅为代表；第二代以20世纪80年代和90年代相继产业化的砷化镓（GaAs）和磷化铟（InP）为代表；第三代以氮化镓（GaN）和碳化硅（SiC）为代表；第四代则是在2005年以后逐渐被重视的4eV以上的超宽禁带半导体材料，以氧化镓（Ga2O 3 ）、氮化铝（AlN）和金刚石为代表 。

目前半导体领域中，硅材料的潜力基本已被挖掘到极致，需要特性更好的材料接续。金刚石作为超宽禁带的下一代材料，引得全球争相布局，世界上很多国家已将金刚石列入其重点发展计划中。

当然，新材料最终作用并非将硅、锗这种传统材料拍死在沙滩上，而是作为一种互补，在自己最擅长的领域充分发挥作用。

半导体材料的划分

当然，天然金刚石杂质多、尺寸小、价格昂贵，很难满足在电子器件领域的产业化需求。而人造金刚石与天然金刚石结构相同、性能相近、成本相对较低，能够有效使金刚石为人所用。