纳米金刚石，最新突破！

近日，香港大学电机电子工程系褚智勤团队（与南方科技大学、韩国KAIST合作）《Nature Communications Engineering》发表了一项引人注目的研究成果——团队开发出一种基于静电场捕获（electrostatic-trapping）的新方法，在8英寸硅晶圆上实现了82.5%的单纳米金刚石捕获率，整个过程仅需约5分钟。

8英寸硅晶圆的照片包含多个ND阵列（白色方块）

这一突破解决了纳米金刚石在量子技术应用中大规模集成的核心瓶颈，标志着纳米金刚石从实验室走向产业化迈出了关键一步。

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钻石的“纳米级”版本

简单来说，纳米金刚石是尺寸在1到100纳米（约等于五千分之一到五十分之一根头发丝的直径）之间的金刚石微粒，即 “微小的钻石”。纳米金刚石材料按照形貌特点可分为纳米金刚石颗粒、薄膜以及近年来兴起的金刚石纳米片和金刚石纳米线材料。

（a）纳米金刚石颗粒透射图（b）纳米金刚石薄膜（c）纳米线（d）纳米片

在全球高端制造与前沿技术加速融合的浪潮中，纳米金刚石作为金刚石材料的一个重要类别，逐渐被业内关注。纳米金刚石继承了金刚石无与伦比的硬度、极高的导热性以及出色的化学稳定性，更因尺度的缩小而获得了巨大的比表面积、优异的生物相容性，乃至独特的量子效应。

从精准的药物递送、高分辨率的生物成像，到下一代量子传感器和高性能复合材料，纳米金刚石的潜力几乎遍及所有前沿领域，已成为半导体、航空航天、生物医疗、量子信息等战略领域不可或缺的核心材料。数据显示，到2030年，全球纳米金刚石市场规模预计将突破7.221亿美元，年均复合增长率稳定在11.9%的高位水平。

然而，这块“璞玉”的雕琢之路却布满荆棘，巨大的应用前景与严峻的技术挑战并存。

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“璞玉难琢”

纳米金刚石的制备技术经历了长期的探索与创新。生产工艺主要包括爆轰法、高温高压法和化学气相沉积法等，传统方法通常涉及复杂的加工流程，包括合成、破碎、分选和表面处理等环节。

但由于金刚石具有极高的硬度和化学惰性，传统的加工方法难以在纳米尺度上实现精确的形状控制，面临的诸多挑战主要集中在制备、加工和集成等方面，而这也直接限制了其在高端领域的应用，具体来看：

• 首先，是杂质的“魔障”。目前，爆轰法已成为规模化制备纳米金刚石的主流方法。但这种方法如同“烈火炼金”，在瞬间的高温高压下，虽能合成出尺寸约5纳米的金刚石颗粒，但其产物却远非纯净。

• 其次，是“天生”的团聚。 纳米金刚石的原生颗粒极小，表面能极高，它们会通过强大的范德华力和表面键合，形成尺寸达100-200纳米的牢固团聚体。如何在不损伤晶体结构的前提下，温和而高效地将这些团聚体解离成单个颗粒，是纳米金刚石走向应用的“第一道门槛”。机械粉碎可能造成结构缺陷，而化学分散则又可能引入新的表面污染，这是一个两难的抉择。

• 表面化学的“善变”与“复杂”又构成了新的难题。即使成功获得了高纯度的单分散纳米金刚石，表面化学如同一片“未知的森林”，其上官能团的类型、分布和密度难以精确控制和重现。此外，纳米金刚石在溶剂或聚合物基体中，有着强烈的再次团聚趋势。

如何低成本、大批量地获得均一、纯净的单分散产品？如何实现对表面的精确“编程”以满足多样化需求？以及如何在复杂应用环境中保持并发挥其纳米尺度的卓越性能？形貌控制的难题、大规模生产的困境、集成应用的障碍，尽管挑战重重，但研究者的脚步从未停歇。

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从实验室走向产业化的创新突破

如何灵活控制金刚石颗粒的形貌和表面结构，已成为材料科学家亟待解决的重要课题。

3.1 可编程纳米雕刻

为了解决这一问题，香港大学褚智勤团队和林原团队提出了一种创新的技术：“可编程纳米雕刻”。

利用空气氧化法实现了金刚石颗粒的大规模形貌和纳米结构重塑，研究团队成功制备了多种独特微观形貌的金刚石颗粒，包括球形、扭曲表面、锥形、倒锥形、纳米花和多孔形等。

这种可编程的纳米雕刻技术使得研究人员能够在纳米尺度上精确地重塑金刚石颗粒的形态、表面和内部结构，从而有效改变金刚石颗粒的电学、光学等性质，为金刚石材料在新的应用领域开辟了广阔的前景。

3.2 跳出传统思维：从最坚硬的物质中“抠”出柔软的薄膜

与此同时，香港大学褚智勤团队还开创了一种全新的金刚石剥离技术，2024年12月其研究成果发表于《Nature》。研究显示，他们完全摒弃了传统方法中复杂的抛光和刻蚀过程，采用一种完全物理的、可简单制备的“一步法”。直接从生长衬底上剥离金刚石，获得超薄且超柔韧的金刚石膜，且这一过程不会对金刚石本身的性质造成损伤。

剥离金刚石膜的详细表征，来源：Nature

褚智勤团队开发的边缘暴露剥离法这种关键优势在于可制造出表面超平坦的金刚石膜，对高精度微纳制造尤其重要。对比昂贵、耗时且受尺寸限制的传统技术，新技术可在10秒内生产出一个两英寸的金刚石晶圆，提供了前所未有的效率和规模化。在研究中使用的是2英寸的样品演示，但目前实验室已经能够做到更大尺寸。据研究人员预测，这种方法有望未来扩展到8英寸甚至12英寸的工业级尺寸。

3.3 5分钟制备8英寸纳米金刚石阵列，实现晶圆级集成

如何将微小的纳米金刚石精确地放置在需要的位置，一直是量子技术领域的核心挑战，这正是前文提到的褚智勤教授团队最新研究的突破点。

在量子技术领域，纳米金刚石被认为是构建下一代量子传感、量子成像和量子通信器件的关键材料。它能在极小的晶体内部形成独特的量子缺陷——氮-空位（NV）中心，是一种独特的量子系统，能够用于高精度传感和量子信息处理。

然而，要将这些尺寸仅为几十到数百纳米的“量子构件”有序排列在芯片上，长期以来都是一道难题：传统的模板法、原子力显微转移法或自组装工艺要么耗时冗长，要么无法在大面积上稳定实现单颗粒控制。

褚智勤团队开发的基于静电场捕获的新方法，解决了纳米金刚石在量子器件中精准集成的问题。这种静电捕获工艺操作简便，仅依靠常规光刻技术和溶液处理即可完成，5分钟内即可在8英寸硅片上制备出规则的纳米金刚石阵列，并可肉眼观察到图案区域。研究团队通过多次重复实验验证，其在25×25孔阵列上实现了82.5%的单颗粒捕获成功率，表现出高度可重复性。

相比以往仅能在毫米尺度实现少量排列的复杂工艺，该方法实现了从实验室到晶圆级的跨越，并可根据孔径精确调控阵列密度，具有良好的可扩展性。

此外，这种静电场捕获方法与现有半导体工艺兼容，为纳米金刚石在半导体产业中的大规模应用奠定了基础。褚智勤研究团队建立的形状库和可编程纳米雕刻技术，可用于指导金刚石颗粒的设计、制造和实际应用开发，进一步推动了纳米金刚石的产业化进程。

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“小身材”撬动“大世界”

随着制备工艺的不断革新和应用领域的持续拓展，纳米金刚石正从实验室的珍品转变为产业界的利器。伴随纳米金刚石技术的逐步突破，其为多个领域带来了新的应用前景——

在半导体行业：随着3nm以下制程晶圆需求激增，纳米金刚石抛光液已能实现单面抛光速率达3μm/h、表面粗糙度Ra<0.2nm的极致效果，支撑着台积电、三星等企业的高良品率生产。此外，纳米金刚石的高热导率可用于芯片散热，解决高性能处理器散热难题；

在复合材料领域：其作为增强相可使铝合金抗拉强度提升至600MPa以上，被空客A350机翼结构件采用后，实现整机减重15%；

生物医学方向：表面氨基化的5nm金刚石颗粒作为药物载体，在肿瘤靶向治疗中展现出比传统脂质体高3倍的富集效率，目前已有相关纳米药物进入临床二期试验；

作为润滑添加剂：20-50nm颗粒可使发动机摩擦系数降低至0.03，经中国石化测试，在重卡发动机中可延长换油周期2倍、节油率达5.2%······这些数据正推动纳米金刚石从实验室走向数十亿级产业舞台。

纳米金刚石正凭借其无与伦比的性能组合，从一个传统的抛光材料，蜕变为在生物医疗、量子信息、高端半导体等未来产业中扮演关键角色的“超级材料”。

国内金刚石产业已形成全球最大的生产体系，反观纳米金刚石，数据显示，当前国内年产能约2亿克拉（不足传统金刚石总产量的 1%），70%以上仍为粒径分布宽泛的初级粉体，高附加值应用占比不足12%。

这种“大而不强”的格局下，产业升级迫在眉睫。因此，研发升级先进工艺，快速突破纳米金刚石工业化量产技术瓶颈，同时加强质量控制，提升研发、产品检测质控能力，是产业转型升级的重中之重。随着科研的深入和产业化进程的加速，它的应用边界还将不断拓宽。