人造金剛石是在實(shí)驗室里模擬天然鉆石的自然形成環(huán)境培育而成的。兩者在晶體結構完整性、透明度、折射率、色散等方面均無(wú)明顯差異。人造金剛石具有天然鉆石的一切優(yōu)異的物理化學(xué)性能，使得在精密切削刀具、耐磨器件、半導體及電子器件、低磁探測、光學(xué)窗口、聲學(xué)應用、生物醫學(xué)、珠寶首飾等方面得到廣泛應用。

人造金剛石的應用前景

· 切削材料和超精密加工領(lǐng)域

    金剛石是目前自然界中硬度最高的礦物。除此之外，還具有高熱傳導率、高耐磨性和化學(xué)穩定性。這些特征決定了金剛石也可以是一種優(yōu)越的切削材料。通過(guò)人工培育的大單晶金剛石，可以進(jìn)一步實(shí)現超精密加工，既能降低成本又能提高技術(shù)。 

    金剛石具有從X射線(xiàn)到微波整個(gè)波段高的透過(guò)率，是一種優(yōu)異的光學(xué)材料。比如MPCVD單晶金剛石可以做成大功率激光器件的輸能窗口，還可以做成宇宙探測器的鉆石窗。金剛石兼具耐熱沖擊、耐化學(xué)腐蝕及耐機械磨損等特性，在紅外窗口、微波窗口、高功率激光窗口、熱成像系統窗口、X射線(xiàn)窗口等方面都有相應研究和應用。 

    含有氮空位缺陷的金剛石具有獨特的量子特性，能夠在室溫下用特定光束對NV色心進(jìn)行操作，具有相干時(shí)間長(cháng)、熒光強度穩定、發(fā)光強度高的特點(diǎn)，是極具研究?jì)r(jià)值和前景的量子比特載體之一。大量的研究機構圍繞NV色心進(jìn)行了實(shí)驗研究，在NV色心的共聚焦掃描成像、低溫及室溫下NV色心的光譜研究、利用微波和光學(xué)方法操控自旋取得了大量的研究成果，在高精度磁場(chǎng)測量、生物成像、量子探測等方面取得了成功的應用。
例如金剛石探測器不懼極端惡劣的輻射環(huán)境和環(huán)境雜光，無(wú)需加濾光片，而且可以在室溫和較高的溫度下正常工作，不需要像硅探測器那樣外加冷卻系統。

· 聲學(xué)應用領(lǐng)域

    金剛石具有彈性模量高、密度低和強度高的優(yōu)點(diǎn)，非常適合用于制作高頻、大功率聲表面波器件，是制作高保真聲學(xué)器件的理想材料。

· 醫療行業(yè)應用領(lǐng)域

    金剛石的高硬度、高耐磨性、低摩擦系數及良好的生物相容性，使其廣泛應用于假體關(guān)節、心臟瓣膜、生物傳感器等方面，成為現代醫療行業(yè)不可或缺的重要材料。

· 珠寶首飾方面的應用

    人造金剛石在顏色、凈度等方面可以與天然金剛石媲美，并且在生產(chǎn)成本和價(jià)格方面具有明顯優(yōu)勢。2018 年，權威機構FTC將人工合成的培育鉆石納入鉆石類(lèi)，培育鉆石便開(kāi)啟了對天然鉆石替代的時(shí)代。隨著(zhù)培育鉆石分級標準的規范與完善，培育鉆石在消費市場(chǎng)的認可度逐年提高，近兩年全球培育鉆石行業(yè)迅速增長(cháng)。根據美國管理咨詢(xún)公司和安特衛普世界鉆石中心聯(lián)合發(fā)布的第十期全球鉆石行業(yè)年度報告，2020年世界天然鉆石總產(chǎn)量下降到1.11億克拉，下降20%，培育鉆石產(chǎn)量達到600萬(wàn)至700萬(wàn)克拉，其中50%至60%的培育鉆石是在中國采用高溫高壓技術(shù)生產(chǎn)的，印度和美國成為CVD的主要生產(chǎn)中心。隨著(zhù)國內外知名鉆石品牌運營(yíng)商和權威鑒定檢測機構的加入，培育鉆石行業(yè)發(fā)展逐漸規范，消費者認可度逐年提高，培育鉆石在首飾消費市場(chǎng)具有較大的發(fā)展空間。 

    另外，美國LifeGem公司已經(jīng)實(shí)現了“紀念鉆石”生長(cháng)技術(shù)，以人體中的碳為原料（比如頭發(fā)、骨灰）做成鉆石，用一種特殊的方式幫助家人表達對失去親人的愛(ài)，賦予培育鉆石特殊的意義。最近，美國一家熱銷(xiāo)的沙拉醬品牌Hidden Valley Ranch還聘請地質(zhì)學(xué)家兼LifeGem創(chuàng )始人Dean Vandenbisen用調味品制作出一顆兩克拉的鉆石，并進(jìn)行拍賣(mài)。然而，這些都是宣傳噱頭，并無(wú)大規模推廣生產(chǎn)意義。 

· 超寬禁帶半導體領(lǐng)域

    前面的應用大家都很容易理解，今天想重點(diǎn)講一講金剛石在半導體上的應用。美國的勞倫斯利弗莫爾國家實(shí)驗室的科學(xué)家在APL（Applied Physics Letters）上發(fā)表了一篇論文，主要觀(guān)點(diǎn)是高品質(zhì)的CVD金剛石可用于“超寬禁帶半導體”，并將極大推動(dòng)電網(wǎng)、機車(chē)、電動(dòng)車(chē)行業(yè)的發(fā)展。
“超寬禁帶”可以這樣通俗簡(jiǎn)單的了解一下：
1、在固體中，電子的能量值是不同的，而且都分布在不同的“能帶”上。有些電子被束縛了，叫做“價(jià)電子”；有些能自由地跑來(lái)跑去的，叫做“自由電子”。
2、價(jià)電子所在能帶與自由電子所在能帶之間的間隙，被稱(chēng)為“禁帶”或“帶隙”。
3、價(jià)電子要成為自由電子，就需要額外獲得能量。這種能量，就是“禁帶寬度”。
4、我們之前用的材料硅（Si），禁帶寬度是1.12eV。
5、后來(lái)開(kāi)發(fā)出了一些材料，增大了禁帶寬度，被統稱(chēng)為“寬禁帶半導體材料”，可以達到2.3eV以上，比如碳化硅（SiC）。
6、高品質(zhì)的CVD金剛石就具有這種“超寬禁帶”。
在半導體中，有三個(gè)很重要的因素：
（1）載流子遷移率，就是電子跑得快不快；
（2）擊穿場(chǎng)強，反映的是耐電強度；
（3）導熱性。
    CVD技術(shù)的金剛石，作為高品質(zhì)的單晶體金剛石，在上面這三個(gè)方面的表現極其優(yōu)秀。目前已經(jīng)在MPCVD法制備的大尺寸單晶金剛石上獲得高達1150m²/V的遷移率。高擊穿電壓、高熱導率自不必多說(shuō)。
    科學(xué)家Paulius Grivickas說(shuō)：“我們通過(guò)對高純度的CVD鉆石進(jìn)行鐳射處理，爭取能‘定制’其中的載流子生命周期?！?/span>
在半導體技術(shù)中，有一個(gè)關(guān)鍵的設備，叫“光導開(kāi)關(guān)”（photoconductive switch），其作用可以理解為“利用激光脈沖進(jìn)行觸發(fā)”。以前，光導開(kāi)關(guān)的關(guān)鍵材料是硅，但是用硅做原材料的開(kāi)關(guān)龐大且笨重。Paulius認為，用CVD金剛石做光導開(kāi)關(guān)材料的話(huà)，“大概能縮到指甲蓋這么大小”。這項技術(shù)對于培育鉆石行業(yè)（尤其是CVD）的發(fā)展是有積極意義的。一旦以金剛石為基體的寬禁帶半導體可以大規模應用，那么目前世界上的硅基半導體產(chǎn)業(yè)將面臨巨大變革，金剛石寬禁帶半導體將會(huì )引領(lǐng)下一次半導體產(chǎn)業(yè)革命。 

    總之，人造金剛石作為珠寶的發(fā)展空間可以預見(jiàn)，然而，它的科技應用發(fā)展無(wú)限且需求可觀(guān)。從長(cháng)遠眼光看，人造金剛石行業(yè)要想長(cháng)遠穩定發(fā)展，必須開(kāi)發(fā)成為一種生活、生產(chǎn)的必需品，最終應用在傳統工業(yè)及高科技領(lǐng)域。只有盡力開(kāi)發(fā)它的使用價(jià)值才能最大范圍的發(fā)揮它的各項優(yōu)異性能。傳統生產(chǎn)不斷，需求就會(huì )不斷。隨著(zhù)金剛石合成技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，其重要性已經(jīng)被一些媒體上升到了“國家戰略”的高度。在天然鉆石日益稀缺、供應受限的今天，人造金剛石行業(yè)或將扛起這面戰略大旗。