金刚石半导体，有了新进展

2025年9月，东京大学研究生院理学研究科中村荣一教授领导的研究小组宣布，他们利用原子分辨率透射电子显微镜，以电子束照射金刚烷（Ad）晶体，在低温低压条件下短时间内成功合成尺寸均匀的球形纳米金刚石（ND）。

钻石不仅拥有卓越的光泽，还拥有优异的硬度和生物相容性。由于这些特性，被称为纳米金刚石（ND）的纳米级金刚石在材料科学和生命科学领域备受关注。然而，合成人造金刚石需要约1500℃的高温和约10 GPa的高压。此外，纳米金刚石的尺寸有限，且不可避免地存在结构缺陷。

此前的研究表明，如果能将金刚石骨架中含有10个碳原子的环状结构Ad中的所有C—H键都去除，它就能变成金刚石。

钻石的合成与起源。来源：冈山大学神崎正美教授（实教出版社科学资料）

由金刚烷合成的钻石。来源：东京大学

研究小组利用一种名为“高速高分辨率电子显微镜（SMART-EM）”的专有成像分析方法，通过用80-200 keV的电子束照射Ad晶体来观察ND的生成过程。这证实了氢气的产生和消失，以及由Ad低聚物生成球形、无缺陷的立方体ND。

具体来说，Ad 5（五聚体）到 Ad 8 的展开以∼9×10⁹ nm²・e⁻¹・s⁻¹ 的一级动力学速率进行。此外，发现 Ad 17 到 Ad 26 的生长也以相似的一级动力学速率∼12×10⁹ nm²・e⁻¹・s⁻¹ 进行。

利用亚埃级空间分辨率和毫秒级时间分辨率对金刚石骨架的生长过程进行了成像。结果表明，Ad分子首先被电子束电离，选择性地断裂C—H键。产生的自由基随后反复倍增，导致Ad聚合，最终形成金刚石骨架。

基于这些研究成果，对合成条件进行了优化，在-173～23℃的低温、10 -5 Pa的低压条件下，在1～20秒的短时间内，以100％的产率成功合成了ND 。

使用 AR-TEM 对 ND 生成进行分子水平分析。来源：东京大学

可能的反应机理。来源：东京大学

ND晶体的尺寸分布分析。来源：东京大学

金刚石是集优异的电学、光学、力学、热学和化学等特性于一身的超宽禁带半导体，被誉为“终极半导体材料”“终极室温量子材料”，作为具有独特物理化学特性的新型材料，未来应用领域广阔。

金刚石半导体具有超宽禁带（5.45eV）、高击穿场强（10MV/cm）、高载流子饱和漂移速度、高热导率（22 W/cmK）等材料特性，远远高于第三代半导体材料 GaN 和 SiC，以及优异的器件品质因子（Johnson、Keyes、Baliga），采用金刚石衬底可研制高温、高频、大功率、抗辐照电子器件，克服器件的“自热效应”和“雪崩击穿”等技术瓶颈，在5G/6G通信，微波/毫米波集成电路、探测与传感等领域发展起到重要作用。

另外，由于金刚石具有很大的激子束缚能（80meV），这使其在室温下可实现高强度的自由激子发射（发光波长约为 235nm），在制备大功率深紫外发光二极管方面具有较大潜力，其在极紫外深紫外和高能粒子探测器的研制中也能发挥重要作用。

使用金刚石电子器件，不仅可以减轻传统半导体的热管理需求，而且这些设备的能源效率更高，可以承受更高的击穿电压和恶劣的环境。

全球各大芯片公司正加大力度投入研究。报道称，英伟达率先开展钻石散热GPU实验，性能是普通芯片的三倍。此外，全球首座金刚石晶圆厂明年或量产。西班牙政府近日已获得欧洲委员会的批准，将向人造金刚石厂商Diamond Foundry提供8100万欧元的补贴，以支持其在西班牙建造一座金刚石晶圆厂的计划。该工厂计划在2025年开始生产单晶金刚石芯片。

据市场调研机构Virtuemarket数据，2023年全球金刚石半导体基材市场价值为1.51亿美元，预计到2030年底市场规模将达到3.42亿美元，2024年~2030年的预测复合年增长率为12.3%。

在其特性优势和广阔前景的驱动下，金刚石在半导体产业链上的多个环节已经展现出巨大的潜力和价值。从热沉、封装到微纳加工，再到BDD电极及量子科技应用，金刚石正逐步渗透到半导体行业的各个关键领域，推动技术创新与产业升级。