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毫米级“宝宝钻”长成厘米级“成年钻石”，只要1.5天，这个技术有点牛！

文章来源：贤集网更新时间：2024-05-17 16:19:55

4月2日，走进华东理工大学实验18楼的底层实验室，显微镜观察下，一种明星半导体材料在溶液中，从一颗颗小晶核，渐渐长成六边形的晶片，不仅比传统方法提速4倍，其尺寸也有了倍增，且拥有前所未有的高性能。

原来，华理团队基于钙钛矿，自主研发高溶质通量的单晶薄膜生长系统，取得通用晶体生长技术突破，相关成果日前见刊国际学术期刊《自然·通讯》，可应用于从光伏、芯片到医学影像装备等的核心器件。

1、生长周期从7天缩短至1.5天

金属卤化物钙钛矿是一类光电性质优异、可利用溶液制备的明星半导体材料，在太阳能电池、发光二极管、辐射探测领域展现出应用前景，被誉为新能源、生态环保等领域的新质生产力，成为学术界、工业界争相创新研发的目标。

目前，这些光电子器件主要采用多晶薄膜作为光活性材料，但多晶形式的“先天缺陷”显著降低器件性能和使用寿命。相对于碎钻般的多晶薄膜，钙钛矿单晶晶片如同完美的“非洲之星”钻石，其极低的缺陷密度仅为多晶薄膜的十万分之一左右，同时兼具优异的光吸收、输运能力以及稳定性，成为更理想的候选材料。

然而，国际上尚未有钙钛矿单晶晶片的通用制备方法，传统的空间限域方法仅能以高温、生长速率慢的方式制备几种毫米级单晶，极大限制了单晶晶片的实际应用。如何“魔法实施”，华东理工大学清洁能源材料与器件团队自主研发的钙钛矿单晶薄膜通用生长技术，就让毫米级“碎钻”长成了厘米级“完美钻石”。

钙钛矿单晶薄膜材料生长涉及成核、溶解、传质、反应等多个过程，研究团队揭示出传质过程是决定晶体生长速率的关键因素，使得溶质的扩散系数提高了3倍。在这一高溶质通量系统中，研究人员将原有的晶体生长温度降低了60摄氏度，生长速率也是原来的4倍以上，生长周期由7天缩短至1.5天。

“这项生长技术具有普适性，可以实现30余种金属卤化物钙钛矿半导体的厘米级单晶薄膜生长，低温、快速、可控，而且高通量。”该成果的主要完成人、华东理工大学侯宇教授表示，这为新一代的高性能光电子器件提供了丰富的材料库，一些难以合成的具有双金属结构、多元素合金的单晶，也首次实现了可控制备。

2、在温和条件下生产人造钻石

对于钻石我们并不陌生，作为碳的一种同素异形体，因其非凡的硬度、光彩夺目以及卓越性能而享誉盛名，长期以来吸引着科学家和爱好者的目光。

自然界中的钻石形成于地球地幔深处的极端高压（数万个大气压）和高温（900 至 1400 °C）环境下，其形成过程经历了数百万年甚至数十亿年的地质作用。

除了在珠宝领域的传统用途外，钻石因其卓越的物理和化学性质而在各种行业广受应用：从工业切削工具到先进电子器件进而到生物医学器件，钻石凭借其无与伦比的耐用性、优异的热导率和电学特性，以及良好的生物相容性，在不同领域发挥着关键作用。

近年来，材料科学的进步带来了人工合成钻石的突破性发展，一定程度上扩展了钻石的利用范围，并提高了其可及性。一般来说，目前有两种常规的技术，可被用来制备尺寸超过一厘米的人造钻石。

其一是化学气相沉积方法，可以沉积出大面积单晶钻石薄膜或多晶钻石薄膜。

其二是高压高温合成方法，通过模拟地球深部的高温高压极端条件，并使用熔融金属作为催化剂和溶剂，配合适当的温度梯度，使溶解的碳形成钻石。

其中，在严格控制实验条件的前提下，可以在 5 至 12 天之内，通过高压高温的方式，从钻石种晶生长出体积达 1 立方厘米的单晶钻石。值得一提的是，由于高压高温组件尺寸的限制，该方法所生长的钻石尺寸通常被限制在约 1 厘米。

另一方面，高压高温技术应用非常广泛，贝恩公司在 2018 年发布的《全球钻石产业》调查报告中指出，基于经济效益等原因，高压高温制备的钻石约占到所有人造钻石总量的 99%。

3、人造钻石市场

人造钻石市场持续升温，其市场份额在不断攀升。据最新数据显示，今年7月，人造钻石的市场份额已达到了49.9%，接近50%的临界点，预示着人造钻石的时代即将到来。本文将结合天然钻石价格的暴跌，分析人造钻石市场的未来趋势。

首先，我们来看看人造钻石市场的现状。随着技术的进步，人造钻石的品质和外观与天然钻石已无二致，而价格却远低于天然钻石。这就使得越来越多的人选择人造钻石，而非天然钻石。尤其是当消费者在购买钻戒等珠宝时，他们更关心性价比，而非钻石的来源。

然而，全球天然钻石价格近期却出现了暴跌。业内人士预测，未来一年内，天然钻石的价格可能会再降低25%。这主要是由于全球疫情的影响，使得天然钻石的开采和贸易受到了严重冲击。但随着疫情的逐渐控制和全球经济的恢复，天然钻石价格有望逐步恢复。

尽管如此，人造钻石的市场份额仍将继续上升。一方面，消费者对于性价比的追求，将推动人造钻石的需求；另一方面，随着技术的进步，人造钻石的制造将更加高效，成本更低，也会进一步推动人造钻石市场的发展。

目前，我国培育钻石产量占全球产量的一半以上，其中主要采用的方法是高温高压法。尽管培育钻石与天然钻石有微小的差异，如人工合成的痕迹，但这并不影响其作为钻石的认可度。

培育钻石产业的兴起代表了我国金刚石产业的崛起。从无到有，我国金刚石产业经历了长期的发展，如今已占据全球市场的90%份额。培育钻石的发展和技术突破是这一产业崛起的见证。

总的来说，培育钻石作为一种新兴的钻石品类，正逐渐受到越来越多消费者的关注。虽然与天然钻石相比，培育钻石价格更低，但其与天然钻石在物理、化学和光学性质上完全一致。随着培育钻石技术的不断进步，培育钻石有望成为天然钻石的平价替代品，给消费者提供更多选择。

原文链接：https://www.xianjichina.com/special/detail_548178.html
来源：贤集网
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