要点:
香港大学团队近日发表的研究突破性地制备出超薄、柔韧的金刚石薄膜，为半导体、电子散热、量子探测等领域的创新应用奠定基础，并计划推动其商业化，或将改变未来技术格局。
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在当今科学研究的前沿，材料科学不断挑战我们对常规认知的界限。香港大学副教授褚智勤及其团队在金刚石薄膜的研究中取得的突破，不仅颠覆了金刚石作为“最坚硬物质”的传统定义，还揭示了一个全新的、多维度的科技世界。
通过创新的制备技术，团队成功制造出超薄且极具柔韧性的金刚石薄膜，这一现象不仅令学界为之震惊，也为多个领域的技术革新铺平了道路。随着这种超薄超柔性金刚石膜向产业化的推进，我们正站在一场材料革命的起点，未来无论是电子器件的散热、量子传感器的开发，还是人工智能和先进半导体技术的发展，金刚石这一材料的应用前景将呈现出前所未有的广阔天地。
跳出传统思维：从最坚硬的物质中“抠”出柔软的薄膜
近日，香港大学副教授褚智勤在谈到团队在“Nature”期刊上发表的研究成果时表示，“我们首次在晶圆尺度（2英寸）上成功制备了大面积、平整且表面粗糙度低于1纳米的多晶金刚石薄膜，而之前该领域的最大尺寸仅能达到厘米级。此外，我们计划成立初创公司，将这一技术推进产业化。”
这项研究揭示了一种全新的金刚石形态：超薄且超柔韧的金刚石膜
研究团队发现，当金刚石薄膜达到一定厚度时，其物理特性发生了显著变化，变得如塑料纸般柔软且可进行360°弯曲，这与金刚石作为“最坚硬物质”的传统认知形成鲜明对比。
该新特性使得金刚石在电学和光学等领域的调控成为可能，这种宏观调控在晶圆级别上是以往通过纳米尺度上对单一器件或金刚石纳米结构进行调节所无法实现的。相关研究成果已以“超薄超柔性金刚石膜”/Scalable production of ultraflat and ultraflexible diamond membrane为题发表。该研究的共同第一作者包括香港大学博士后景纪祥、博士生孙富强，以及北京大学工程师王忠强。香港大学褚智勤副教授、林原教授，北京大学王琦教授、南方科技大学李携曦助理教授为共同通讯作者。
金刚石被认为是理想的电子与光子学材料。自20世纪80年代以来，通过化学气相沉积/CVD技术生长的高品质人造金刚石得到了显著发展。
尽管人造金刚石的技术已发展数十年，但它仍未在日常生活中得到广泛应用，主要原因在于其生产设备的稀缺性和制造过程的高难度，这导致了较高的生产成本。同时，金刚石制造面临的一个核心挑战是如何获得足够平整的表面以便进行后续的加工和应用。
在半导体工艺中，表面的平整性至关重要，因为必须保证表面平滑才能进行堆叠和组装。因此，确保金刚石表面足够平整是材料加工的一个关键前提。然而，传统的加工方法，如抛光或刻蚀，无论是化学还是物理方法，都可能损伤金刚石样品。尤其是对于大面积金刚石的加工，达到高平整度一直是一项巨大的挑战。
金刚石作为已知最硬的材料，其独特的硬度使得传统的抛光方法无法适用。尽管对于硬度较低的材料，抛光方法通常有效，但由于金刚石没有比它更硬的材料可以用来抛光，这使得现有技术无法满足金刚石加工的需求。
这项研究始于2019年，当时研究团队计划在金刚石薄膜上加工特定结构，但发现市场上没有合适的现有产品，因此决定自行研发。最初的设想是在现有的金刚石表面进行刻蚀，但这一过程进展缓慢，几乎导致整个项目的放弃。
“我让课题组的一位博士后负责这项工作，但他在六个月的时间里，仅能制作出一块厘米大小的样品，而且每个步骤中都可能因失误导致样品损坏，这使得整个过程异常艰难，最后他也离开了团队。”褚智勤回忆道。
转折点出现在一次实验中，当时一块样品在补做实验时意外碎裂，实验室成员无意间注意到金刚石角落处出现了脱落的迹象，薄膜似乎自发地“拱”了起来。
这一现象引发了他们的大胆猜测：金刚石可能在特定条件下能够与衬底分离。经过多次讨论和实验，他们成功证明了这一剥离的可能性。随后，一位从事理论研究的合作者调控了生产工艺，创造了更有利于剥离的条件，理论模型也很好地解释了剥离过程的可行性。受到石墨烯等单层材料成功制备的启发，研究团队釆用了边缘暴露剥离技术，成功实现了超薄金刚石薄膜的制备与转移。
与传统的复杂抛光和刻蚀方法不同，团队釆用了一种简单的“一步法”物理技术，直接从生长衬底上剥离金刚石。这一过程不仅有效避免了对金刚石本身性质的损伤，还保留了其原有的优异特性。
剥离后的金刚石薄膜展现出极为平整的工作面，使得金刚石能够seamlessly融入现有的半导体工艺中进行加工和处理。随后，研究人员进一步将金刚石薄膜成功转移到柔性聚二甲基硅氧烷/PDMS衬底上，并成功演示了其作为柔性金刚石应变传感器的原型功能。该传感器在承受2%应变条件下，能够耐受超过10000次的变形循环，展现出卓越的柔性和耐久性。
有趣的是，金刚石在生长过程中，表面通常不平整，而其下表面（即生长界面）却异常平整。正是这一平整的下表面，在弯曲时为薄膜提供了支撑，确保其不易损坏。褚智勤表示，这一创新方法能够广泛应用于其他材料或材料体系中，并借鉴这一设计理念，釆用衬底剥离材料的技术。剥离过程与卷纸类似，金刚石上表面弯曲，而下表面则承受拉伸。
褚智勤指出，“从硬质衬底上直接剥离金刚石的难度，几乎可以与从世界上最坚硬的石头中'剥离'一部分物质相比。”他坦言，在成功剥离之前，团队以为金刚石薄膜会非常脆弱，然而令人惊讶的是，大片金刚石薄膜竟展现出令人意想不到的优异柔性。
此外，与传统的单晶金刚石相比，该团队所开发的金刚石薄膜还具有显著的光学性能（450nm波长下的折射率约为2.36）、热导率（约1300W·m⁻¹·K⁻¹ ）以及电阻率（约1010Ω·m）。这些卓越性能使其在多个领域中具备了广泛的应用潜力。
生产成本比传统方法降低1000倍
该方法的突出优势在于它并未完全舍弃传统的生长工艺，而是在现有生产工艺基础上进行了微调和独特的改进，从而实现了理想的金刚石薄膜，同时与现有生产设备兼容。这一过程类似于简化的机械操作，无需依赖复杂或高端的设备，使得原本无法在工业上使用的毛坯材料变成了高质量的产品。
与传统工艺需要生长较厚的金刚石膜（如1000微米或2000微米）不同，这种新工艺只需生长1微米厚的薄膜。褚智勤表示，“从成本角度看，这意味着我们的生产成本比传统方法低了约1000倍。”此外，该方法具有极高的效率，实验室中的操作时间仅需约10秒；如果转化为自动化生产线，其处理速度可以达到1秒内完成多片金刚石膜的生产，极大地为批量工业生产奠定了基础。
这种剥离工艺还具备良好的可扩展性。尽管本研究中展示的是2英寸的样品，但目前实验室已经能够处理更大尺寸的金刚石薄膜。研究人员预计，未来这种方法有望扩展到8英寸甚至12英寸的工业级尺寸，从而在更大规模的生产中应用。
随着技术进步和市场需求的变化，电子器件正在向体积越来越小、功率越来越大的方向发展；与此同时，AI芯片也面临着算力提升与高功耗的双重挑战。
因此，如何实现有效的散热已成为解决这一问题的关键
金刚石薄膜具有极高的导热率，且平整的表面可以直接贴附在芯片等电子器件上，因此，它有望在电子器件的散热方面得到广泛应用。褚智勤表示，“我相信金刚石在提升AI芯片算力方面，特别是在三维堆叠芯片等技术领域，能够成为一个非常出色的解决方案。”
从更长远的角度来看，金刚石作为第四代半导体的核心材料之一，可能会对人们的日常生活产生深远的影响。可以预见的是，金刚石半导体技术一旦成熟并得到广泛应用，它有可能像硅基半导体一样，全面改变我们的生活。
除了在电子散热方面的应用，金刚石薄膜还具有广泛的潜力。在光学领域，它可以用于加工光学结构。在声学领域，可以用于制造换能器并研究机械共振等应用。此外，它还可用于制作紫外光探测器或与X射线相关的设备。因此，金刚石薄膜在国防、航空航天以及极端环境探测器等领域也拥有重要的应用前景。
据了解，课题组计划在香港成立初创公司，推动这一技术的进一步发展和产业化应用，目标是为工业界和学术界提供稳定、高质量的金刚石薄膜。褚智勤表示，“论文发布后，许多国内外科学家表现出极高的合作热情，希望与我们共同探索这一领域。我非常高兴能够为该领域提供这种平台技术，这让我感到非常有成就感。”
将致力于利用金刚石制造半导体器件
褚智勤课题组的研究主要集中在三个方面：金刚石材料的生产、工程化及器件制造；基于金刚石量子缺陷进行传感和量子探测；以及结合高品质金刚石材料与先进探测技术，探索其在各个领域的潜在应用。
其中，褚智勤尤其关注金刚石量子探测技术在生物医学领域的应用。他希望借助这一新兴工具，深入研究单细胞与衬底之间的力学相互作用，以及单细胞或亚细胞尺度上的热传导行为。通过这些研究，课题组期望能够解决生物医学领域中尚未攻克的基础科学问题。
在这项突破性研究中，团队成功实现了金刚石薄膜的剥离，制备出具有优异特性的多晶金刚石薄膜。尽管目前所使用的是未掺杂的本征金刚石（其作为绝缘体的特性使其在半导体应用中仍具有巨大潜力），但金刚石本身的掺杂性为未来提供了无限可能。
研究人员目前正在探索掺杂硼的金刚石薄膜，这种材料不仅可以保持半导体特性，还展现出独特的性能，使其在电子和光学领域的应用前景更加广阔。金刚石薄膜的不断优化不仅是技术上的进步，更预示着一场半导体领域的新革命，金刚石的掺杂技术有望为多种行业带来革命性的突破。
随着课题组继续深入研究，目标不仅是提升金刚石薄膜的性能，更是要推动金刚石在电子器件中的广泛应用。通过进一步改善金刚石薄膜的力学、光学和热学特性，研究团队有望将其性能推向更接近单晶金刚石的极限，为电子和光学器件提供更加优异的材料支持。
同时，团队还计划开发单晶金刚石薄膜，并探索更为高效的大规模生产方法。这一系列的技术创新不仅能够改变现有半导体产业格局，还为未来的量子计算、人工智能等领域的发展提供了新的动力。褚智勤副教授表示，“我们相信金刚石将成为半导体行业的重要组成部分，而我们正在为这一目标努力不懈，推动金刚石材料的应用进入全新的时代。”
