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香港大學團隊近日發表的研究突破性地制備出超薄、柔韌的金剛石薄膜，為半導體、電子散熱、量子探測等領域的創新應用奠定基礎，并計划推動其商業化，或將改變未來技朮格局。
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在當今科學研究的前沿，材料科學不斷挑戰我們對常規認知的界限。香港大學副教授褚智勤及其團隊在金剛石薄膜的研究中取得的突破，不僅顛覆了金剛石作為“最堅硬物質”的傳統定義，還揭示了一個全新的、多維度的科技世界。
通過創新的制備技朮，團隊成功制造出超薄且極具柔韌性的金剛石薄膜，這一現象不僅令學界為之震驚，也為多個領域的技朮革新鋪平了道路。隨着這種超薄超柔性金剛石膜向產業化的推進，我們正站在一場材料革命的起點，未來無論是電子器件的散熱、量子傳感器的開發，還是人工智能和先進半導體技朮的發展，金剛石這一材料的應用前景將呈現出前所未有的廣闊天地。
跳出傳統思維：從最堅硬的物質中“摳”出柔軟的薄膜
近日，香港大學副教授褚智勤在談到團隊在“Nature”期刊上發表的研究成果時表示，“我們首次在晶圓尺度（2英寸）上成功制備了大面積、平整且表面粗糙度低於1納米的多晶金剛石薄膜，而之前該領域的最大尺寸僅能達到釐米級。此外，我們計划成立初創公司，將這一技朮推進產業化。”
這項研究揭示了一種全新的金剛石形態：超薄且超柔韌的金剛石膜
研究團隊發現，當金剛石薄膜達到一定厚度時，其物理特性發生了顯著變化，變得如塑料紙般柔軟且可進行360°彎曲，這與金剛石作為“最堅硬物質”的傳統認知形成鮮明對比。
該新特性使得金剛石在電學和光學等領域的調控成為可能，這種宏觀調控在晶圓級別上是以往通過納米尺度上對單一器件或金剛石納米結搆進行調節所無法實現的。相關研究成果已以“超薄超柔性金剛石膜”/Scalable production of ultraflat and ultraflexible diamond membrane為題發表。該研究的共同第一作者包括香港大學博士后景紀祥、博士生孫富強，以及北京大學工程師王忠強。香港大學褚智勤副教授、林原教授，北京大學王琦教授、南方科技大學李攜曦助理教授為共同通訊作者。
金剛石被認為是理想的電子與光子學材料。自20世紀80年代以來，通過化學氣相沉積/CVD技朮生長的高品質人造金剛石得到了顯著發展。
盡管人造金剛石的技朮已發展數十年，但它仍未在日常生活中得到廣泛應用，主要原因在於其生產設備的稀缺性和制造過程的高難度，這導致了較高的生產成本。同時，金剛石制造面臨的一個核心挑戰是如何獲得足夠平整的表面以便進行后續的加工和應用。
在半導體工藝中，表面的平整性至關重要，因為必須保證表面平滑才能進行堆疊和組裝。因此，確保金剛石表面足夠平整是材料加工的一個關鍵前提。然而，傳統的加工方法，如拋光或刻蝕，無論是化學還是物理方法，都可能損傷金剛石樣品。尤其是對於大面積金剛石的加工，達到高平整度一直是一項巨大的挑戰。
金剛石作為已知最硬的材料，其獨特的硬度使得傳統的拋光方法無法適用。盡管對於硬度較低的材料，拋光方法通常有效，但由於金剛石沒有比它更硬的材料可以用來拋光，這使得現有技朮無法滿足金剛石加工的需求。
這項研究始於2019年，當時研究團隊計划在金剛石薄膜上加工特定結搆，但發現市場上沒有合適的現有產品，因此決定自行研發。最初的設想是在現有的金剛石表面進行刻蝕，但這一過程進展緩慢，几乎導致整個項目的放棄。
“我讓課題組的一位博士后負責這項工作，但他在六個月的時間里，僅能制作出一塊釐米大小的樣品，而且每個步驟中都可能因失誤導致樣品損壞，這使得整個過程異常艱難，最后他也離開了團隊。”褚智勤回憶道。
轉折點出現在一次實驗中，當時一塊樣品在補做實驗時意外碎裂，實驗室成員無意間注意到金剛石角落處出現了脫落的跡象，薄膜似乎自發地“拱”了起來。
這一現象引發了他們的大膽猜測：金剛石可能在特定條件下能夠與襯底分離。經過多次討論和實驗，他們成功證明了這一剝離的可能性。隨后，一位從事理論研究的合作者調控了生產工藝，創造了更有利於剝離的條件，理論模型也很好地解釋了剝離過程的可行性。受到石墨烯等單層材料成功制備的啟發，研究團隊釆用了邊緣暴露剝離技朮，成功實現了超薄金剛石薄膜的制備與轉移。
與傳統的復雜拋光和刻蝕方法不同，團隊釆用了一種簡單的“一步法”物理技朮，直接從生長襯底上剝離金剛石。這一過程不僅有效避免了對金剛石本身性質的損傷，還保留了其原有的優異特性。
剝離后的金剛石薄膜展現出極為平整的工作面，使得金剛石能夠seamlessly融入現有的半導體工藝中進行加工和處理。隨後，研究人員進一步將金剛石薄膜成功轉移到柔性聚二甲基硅氧烷/PDMS襯底上，并成功演示了其作為柔性金剛石應變傳感器的原型功能。該傳感器在承受2%應變條件下，能夠耐受超過10000次的變形循環，展現出卓越的柔性和耐久性。
有趣的是，金剛石在生長過程中，表面通常不平整，而其下表面（即生長界面）卻異常平整。正是這一平整的下表面，在彎曲時為薄膜提供了支撐，確保其不易損壞。褚智勤表示，這一創新方法能夠廣泛應用於其他材料或材料體系中，并借鑒這一設計理念，釆用襯底剝離材料的技朮。剝離過程與卷紙類似，金剛石上表面彎曲，而下表面則承受拉伸。
褚智勤指出，“從硬質襯底上直接剝離金剛石的難度，几乎可以與從世界上最堅硬的石頭中‘剝離’一部分物質相比。”他坦言，在成功剝離之前，團隊以為金剛石薄膜會非常脆弱，然而令人驚訝的是，大片金剛石薄膜竟展現出令人意想不到的優異柔性。
此外，與傳統的單晶金剛石相比，該團隊所開發的金剛石薄膜還具有顯著的光學性能（450nm波長下的折射率約為2.36）、熱導率（約1300W·m⁻¹·K⁻¹）以及電阻率（約1010Ω·m）。這些卓越性能使其在多個領域中具備了廣泛的應用潛力。
生產成本比傳統方法降低1000倍
該方法的突出優勢在於它并未完全舍棄傳統的生長工藝，而是在現有生產工藝基礎上進行了微調和獨特的改進，從而實現了理想的金剛石薄膜，同時與現有生產設備兼容。這一過程類似於簡化的機械操作，無需依賴復雜或高端的設備，使得原本無法在工業上使用的毛坯材料變成了高質量的產品。
與傳統工藝需要生長較厚的金剛石膜（如1000微米或2000微米）不同，這種新工藝只需生長1微米厚的薄膜。褚智勤表示，“從成本角度看，這意味着我們的生產成本比傳統方法低了約1000倍。”此外，該方法具有極高的效率，實驗室中的操作時間僅需約10秒；如果轉化為自動化生產線，其處理速度可以達到1秒內完成多片金剛石膜的生產，極大地為批量工業生產奠定了基礎。
這種剝離工藝還具備良好的可擴展性。盡管本研究中展示的是2英寸的樣品，但目前實驗室已經能夠處理更大尺寸的金剛石薄膜。研究人員預計，未來這種方法有望擴展到8英寸甚至12英寸的工業級尺寸，從而在更大規模的生產中應用。
隨着技朮進步和市場需求的變化，電子器件正在向體積越來越小、功率越來越大的方向發展；與此同時，AI芯片也面臨着算力提升與高功耗的雙重挑戰。
因此，如何實現有效的散熱已成為解決這一問題的關鍵
金剛石薄膜具有極高的導熱率，且平整的表面可以直接貼附在芯片等電子器件上，因此，它有望在電子器件的散熱方面得到廣泛應用。褚智勤表示，“我相信金剛石在提升AI芯片算力方面，特別是在三維堆疊芯片等技朮領域，能夠成為一個非常出色的解決方案。”
從更長遠的角度來看，金剛石作為第四代半導體的核心材料之一，可能會對人們的日常生活產生深遠的影響。可以預見的是，金剛石半導體技朮一旦成熟并得到廣泛應用，它有可能像硅基半導體一樣，全面改變我們的生活。
除了在電子散熱方面的應用，金剛石薄膜還具有廣泛的潛力。在光學領域，它可以用於加工光學結搆。在聲學領域，可以用於制造換能器并研究機械共振等應用。此外，它還可用於制作紫外光探測器或與X射線相關的設備。因此，金剛石薄膜在國防、航空航天以及極端環境探測器等領域也擁有重要的應用前景。
據了解，課題組計划在香港成立初創公司，推動這一技朮的進一步發展和產業化應用，目標是為工業界和學朮界提供穩定、高質量的金剛石薄膜。褚智勤表示，“論文發布后，許多國內外科學家表現出極高的合作熱情，希望與我們共同探索這一領域。我非常高興能夠為該領域提供這種平台技朮，這讓我感到非常有成就感。”
將致力於利用金剛石制造半導體器件
褚智勤課題組的研究主要集中在三個方面：金剛石材料的生產、工程化及器件制造；基於金剛石量子缺陷進行傳感和量子探測；以及結合高品質金剛石材料與先進探測技朮，探索其在各個領域的潛在應用。
其中，褚智勤尤其關注金剛石量子探測技朮在生物醫學領域的應用。他希望借助這一新興工具，深入研究單細胞與襯底之間的力學相互作用，以及單細胞或亞細胞尺度上的熱傳導行為。通過這些研究，課題組期望能夠解決生物醫學領域中尚未攻克的基礎科學問題。
在這項突破性研究中，團隊成功實現了金剛石薄膜的剝離，制備出具有優異特性的多晶金剛石薄膜。盡管目前所使用的是未摻雜的本徵金剛石（其作為絕緣體的特性使其在半導體應用中仍具有巨大潛力），但金剛石本身的摻雜性為未來提供了無限可能。
研究人員目前正在探索摻雜硼的金剛石薄膜，這種材料不僅可以保持半導體特性，還展現出獨特的性能，使其在電子和光學領域的應用前景更加廣闊。金剛石薄膜的不斷優化不僅是技朮上的進步，更預示着一場半導體領域的新革命，金剛石的摻雜技朮有望為多種行業帶來革命性的突破。
隨着課題組繼續深入研究，目標不僅是提升金剛石薄膜的性能，更是要推動金剛石在電子器件中的廣泛應用。通過進一步改善金剛石薄膜的力學、光學和熱學特性，研究團隊有望將其性能推向更接近單晶金剛石的極限，為電子和光學器件提供更加優異的材料支持。
同時，團隊還計划開發單晶金剛石薄膜，并探索更為高效的大規模生產方法。這一系列的技朮創新不僅能夠改變現有半導體產業格局，還為未來的量子計算、人工智能等領域的發展提供了新的動力。褚智勤副教授表示，“我們相信金剛石將成為半導體行業的重要組成部分，而我們正在為這一目標努力不懈，推動金剛石材料的應用進入全新的時代。”
