金刚石设备CVD气相沉积法-韭研公社

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金刚石设备CVD气相沉积法

伊震峰

只买龙头的龙头选手

2022-08-14 11:00:48

【金刚石Diamond】
定义：碳元素的单质同素异构体之一，为面心立方结构，每个碳原子都以sp3杂化轨道与另外4个碳原子形成共价键，构成正四面体，是典型的原子晶体。具有超硬、耐磨、热传导、半导体等优异的物理性能。

相关名词：石墨; 石墨烯; 富勒烯

【金刚石和培育钻石的区别】

金刚石与钻石的区别——钻石是指经过琢磨的金刚石，金刚石是一种天然矿物，是钻石的原石。

1、金刚石和钻石的区别，金刚石是一种纯碳组成的矿物的物质，也就是钻石的原石。
2、金刚石是矿物学名称，而钻石是宝石学名称。
3、钻石是经过琢磨做成了首饰的金刚石宝石，而没有经过加工具宝石价值的金刚石原石则称为宝石金刚石。
4、钻石经过了复杂的流程，如切割，打磨等，这样精细的工作消耗了大量的人力物力，所以钻石价格比金刚石高。
5、石墨可以在高温、高压下形成人造金刚石。也是贵重宝石。培育钻石，合成钻石(Synthetic diamond)的商贸名称，又称生长钻石(Laboratory Grown diamond)。指在实验室或工厂里通过一定的技术与工艺流程制造出来的与天然钻石的外观、化学成分和晶体结构完全相同的晶体。

【培育钻石“钱”景】

从世界钻石预计供需缺口来看，培育钻石未来市场空间较大。全球已探明的天然钻石储量大约25亿克拉，目前每年全世界天然钻石产量约9000万-1亿克拉。换言之，以目前的矿储和产能，世界天然钻石矿最多还能约开采25年。但下游军工、半导体等工业领域对于超硬材料的需求逐年增加。

【培育钻石生产工艺】HPHT、CVD

不同于天然钻石需要在地球深处经历的数百万甚至数十亿年，合成培育钻石的方法主要有HPHT高压高温法和CVD化学气相沉积法，培育时间约为半个月至一个月。

高压高温法HPHT
以石墨粉、金属触媒粉为主要原料，通过液压装置保持恒定的超高温、高压条件来模拟天然钻石的生长环境合成的钻石晶体

气相沉积法CVD
将含碳元素的混合气体置于高温低压的环境下，气体中的碳原子按金刚石的结构在预先放置在生长舱中的种晶上沉淀，不断长大后形成的等轴晶系晶质体。

生产于中国的培育钻石中，有90%以HPHT法生产，是国内的主流技术。而其他国家的培育钻石生产商主要使用CVD法。

【两种技术差别】
差别体现在生产端。HPHT高温高压法下的培育钻石需要六面顶压机进行生产，生产设备的成本一台大约为100万人民币左右，生产所需原料主要为石墨粉、金属触媒粉，合成出来的培育钻石为颗粒状，生长速度快、成本低、纯净度稍差，但综合效益具有优势，特别是在1-5克拉培育钻石合成方面具有明显优势。

CVD化学气相沉积法则需要CVD沉积设备，生产设备一台造价约在50万元人民币左右，生产的主要原料为氢气以及含碳气体，如甲烷等。CVD合成法生成的培育钻石为片状，颜色不易控制、培育周期长、成本较高，但纯净度高，较适宜5克拉以上培育钻石合成。

德尔未来的气相沉积法石墨烯设备占据

60%

市场份额

……

这时候新知识又来了：

【定义】
同素异形体是指由同样的单一化学元素组成，因排列方式不同，而具有不同性质的单质。

碳C
碳的同素异形体有金刚石、石墨、富勒烯、碳纳米管、石墨烯和石墨炔。
它们不同性质是由微观结构的不同所决定的。

（1）金刚石
金刚石呈正四面体空间网状立体结构，碳原子之间形成共价键。当切割或熔化时，需要克服碳原子之间的共价键，金刚石是自然界已经知道的物质中硬度最大的材料，且熔点高。金刚石在机械、电子、光学、传热、军事、航天航空、医学和化学领域有着广泛的应用前景。

（2）石墨
石墨是片层状结构，层内碳原子排列成平面六边形，每个碳原子以三个共价键与其它碳原子结合，同层中的离域电子可以在整层活动，层间碳原子以分子间作用力（范德华力）相结合。石墨是一种灰黑色、不透明、有金属光泽的晶体。天然石墨耐高温，热膨胀系数小，导热、导电性好，摩擦系数小。石墨被大量用来做电极、坩埚、电刷、润滑剂、铅笔等。

（3）富勒烯
富勒烯（Fullerene) 是单质碳被发现的第三种同素异形体。任何由碳一种元素组成，以球状，椭圆状，或管状结构存在的物质，都可以被叫做富勒烯，富勒烯指的是一类物质。初步研究表明，富勒烯类化合物在抗HIV、酶活性抑制、切割DNA、光动力学治疗等方面有独特的功效。

（4）碳纳米管
碳纳米管作为一维纳米材料，重量轻，六边形结构连接完美，具有许多异常的力学、电学和化学性能。近些年随着碳纳米管及纳米材料研究的深入其广阔的应用前景也不断地展现出来。

（5）石墨烯
石墨烯（Graphene）是由碳原子构成的只有一层原子厚度的二维晶体。。

石墨烯目前最有潜力的应用是成为硅的替代品，制造超微型晶体管，用来生产未来的超级计算机。用石墨烯取代硅，计算机处理器的运行速度将会快数百倍。

国内CVD企业情况

目前中国无改色即可达到 DEF 级培育钻石的生产厂家：上海征世、杭州超然。宁波晶钻在 CVD 技术上相对落后于以上两家企业，目前生产的钻石能达到 I-J 色，通过改色可达 G-H 色。
黄河和中南现在处于研发的阶段，尚未达到量产的阶段。国内CVD存在上游技术壁垒（专利）和人员管理壁垒，CVD的颜色问题难以攻克（CVD厂家转型培育钻石壁垒）。