“鉆石的特性遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出其作為珠寶的價值。包括在最新的智能手機、高功率激光、高端音頻系統(tǒng)以及量子傳感設(shè)備等一系列工業(yè)領(lǐng)域更能發(fā)揮鉆石的極端性能，而早在16世紀(jì)，鉆石也已經(jīng)被用于切割和拋光其他堅硬的寶石。但天然鉆石的稀缺和不一致性使其技術(shù)發(fā)展難以為繼。”以上是2020年Element Six公司首席科學(xué)家Stephanie Liggins博士在“Gems&Jewellery”雜志發(fā)表 “Beyond the Fire”的署名文章的前言。

自1959年以來，Element Six一直專注于開發(fā)金剛石合成工藝，以實現(xiàn)創(chuàng)新的合成金剛石和碳化鎢解決方案。Element Six目前采用兩種工藝合成鉆石材料——第一種是最常見的高溫高壓法（HPHT）,即模擬天然金剛石形成條件制備，該方法適合磨料應(yīng)用需求，比如用于汽車、消費電子產(chǎn)品、石油天然氣以及采礦等；第二種是化學(xué)氣相沉積（CVD）法，該技術(shù)的發(fā)展使得合成鉆石產(chǎn)品具備一致性，大大提升了工業(yè)應(yīng)用潛力，并可以按照應(yīng)用進行定制，這也是高端合成鉆石產(chǎn)品的主要路線。CVD生長材料使用高純氣體在超過2000℃下進行反應(yīng)，通過添加氣體摻雜硼或氮，精細(xì)的溫度和壓力控制可以使其生成聚晶或單晶，性質(zhì)可以是絕緣或?qū)щ姡该骰虿煌该鳎踔潦且幌盗胁煌纳首兓?/span>

Stephanie Liggins博士在文章中分享了全球合成鉆石領(lǐng)頭羊的Element Six為工業(yè)應(yīng)用提供的兩個創(chuàng)新解決方案——

左三為高音揚聲器中的鉆石振膜

聚晶CVD金剛石作為振膜不僅堅固耐用，穩(wěn)定性好，最重要的是在2kHz高音頻上不失真。當(dāng)然，這需要將鉆石計出完美的幾何形狀、曲率半徑、厚度和直徑，從而提供完美的性能和性能。

用于廢水處理的摻硼金剛石晶片電池

工業(yè)廢水通常生物降解性低，而分解有機物和氧化無機化合物需要消耗大量氧氣，這也導(dǎo)致水體環(huán)境惡化，水生生物死亡。摻硼導(dǎo)電CVD金剛石適合惡劣環(huán)境下作為獨立電極，相比傳統(tǒng)電化學(xué)元件可以在更高電流下工作。同時它對水的催化作用也低得多，因此不會產(chǎn)生氧氣，而是氧化水中羥基離子，形成臨界自由基，這意味著不會對電極造成影響，同時可以氧化有機污染物。再直白一點，摻硼金剛石電極的使用壽命單位是年，而其他替代品則只有數(shù)小時而已。2018年，該Diamox專利電化學(xué)高級氧化電池技術(shù)已被西門子用于有效處理頑固性工業(yè)廢水的氧化技術(shù)。

近年成就與重點市場

以下，小編整理部分Element Six從2020年以來在合成鉆石商業(yè)化產(chǎn)品上的成就，以及重點市場推出的系列產(chǎn)品，從中或許能夠一探其合成鉆石的技術(shù)進展以及市場嗅覺的銳度。

一、量子測量金剛石

2015年，“自然”雜志報道了合成鉆石用于量子測量的實驗，而這當(dāng)然引起業(yè)界重視。時間來到2020年6月，Element Six推出其首款商用通用CVD量子級金剛石DNV-B1^TM,它可以用于量子演示、微波激射器、射頻輻射檢測、陀螺儀、傳感和進一步項目的氮空位(NV)精密測量系統(tǒng)。該公司首席科學(xué)家Matthew Markham評論：“通過化學(xué)氣相沉積法生長鉆石意味著，首先，我的團隊可以可控且可重復(fù)地用氮摻雜生長的鉆石。然后，在隨后的輻照和退火步驟之后，他們能夠生產(chǎn)出包含均勻且可重復(fù)的 NV 自旋中心濃度且自旋壽命為微秒的鉆石”。

2021年9月，Element Six推出最新的通用量子級金剛石——DNV-B14^TM，與首款產(chǎn)品DNV-B1^TM相比NV色心密度增加了 10 倍以上。值得一提的是，洛克希德馬丁公司2019年的黑冰計劃還依賴于圍繞DNV系列量子金剛石構(gòu)建的磁力計，該磁力計可測量幾乎無法察覺的磁場異常的方向和強度，從而為GPS失效環(huán)境的導(dǎo)航開辟了新的可能性。

二、PCBN氮化硼聚晶工具

2021年2月，Element Six宣布作為工具解決方案提供商參與歐盟一項旨在擴大攪拌摩擦焊(FSW)規(guī)模以在航運業(yè)大規(guī)模采用的研究計劃。(FSW)是一種高完整性、低變形和環(huán)境友好的焊接技術(shù)，可實現(xiàn)高強度焊縫的自動化生產(chǎn)。該技術(shù)也可以在水下工作，它結(jié)合了改進的質(zhì)量、生產(chǎn)速度和成本效率。作為該計劃的一部分，其負(fù)責(zé)開發(fā)具有各種尺寸的專用多晶立方氮化硼(PCBN)工具PURECUT^TM，用于焊接各種海洋應(yīng)用所需的鋼材。

三、硬質(zhì)合金重型刀具

2021年8月，Element Six推出用于高磨料銑削和回收作業(yè)的新型重型刀具系列，其利用專有“納米技術(shù)”來增強鈷粘合劑基體并優(yōu)化磨損，而不會影響鉆頭的韌性。與競爭產(chǎn)品相比，這些創(chuàng)新的硬質(zhì)合金產(chǎn)生了一種通用的鉆頭，可提供更高的操作效率。

四、熱管理

傳統(tǒng)熱管理解決方案的局限性會給設(shè)備和組件帶來嚴(yán)重的瓶頸，這迫使航空航天、電信和國防工業(yè)的系統(tǒng)設(shè)計人員在尺寸、性能和可靠性之間做出妥協(xié)。CVD金剛石則正被Element Six用于減少熱管理瓶頸，并在一系列電子應(yīng)用中實現(xiàn)更低的工作溫度、更高的性能和更長的系統(tǒng)壽命，比如CVD金剛石散熱片可以使氮化鎵（GaN）固態(tài)射頻X波段功率放大器、先進專用集成電路（ASIC）和激光二極管等產(chǎn)品的整體系統(tǒng)生產(chǎn)率提高一倍以上。

DIAFILM^TM視為終極半導(dǎo)體熱管理解決方案

DIAFILM^TM適用于大功率射頻、光電和高壓電力半導(dǎo)體器件，它減少了設(shè)備附近的熱梯度，使散熱器更加高效，并允許在不增加系統(tǒng)尺寸或降低工作環(huán)境溫度的情況下使用高功率設(shè)備。

Diafilm^TMETC700導(dǎo)電金剛石散熱片

這是第一款導(dǎo)電CVD金剛石散熱片，在提供鉆石的卓越散熱性能的同時將電阻和射頻損耗降至最低。

現(xiàn)在和未來

以上不難看出Element Six正依托其CVD金剛石技術(shù)尋求和開發(fā)下一代合成鉆石解決方案，比如前文提及的量子級產(chǎn)品，其可制備用于醫(yī)療診斷等領(lǐng)域所需的量子磁場傳感器；再比如高純度納米工程精度的單晶金剛石……

最近在2022年的2月3日，Element Six向光子學(xué)和化合物半導(dǎo)體企業(yè)II-VI INCORPORATED授權(quán)其單晶金剛石技術(shù)，后者獲得了生產(chǎn)高質(zhì)量單晶金剛石所需的知識產(chǎn)權(quán)和設(shè)備的許可，推動單晶金剛石在先進的功率和射頻電子產(chǎn)品，以及包括6G無線組件，以及生命科學(xué)、傳感、熱管理和量子計算中的其他新興應(yīng)用。

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