一、引子

       碳元素家族一直是英杰輩出的家族：有各式各樣的石墨，有焦炭、炭黑等無定型炭，有足球形的富勒烯（C60），還有最近一直火熱的石墨烯。當然，還有晶瑩剔透，光彩奪目的金剛石。

鉆石恒久遠，一顆永流傳

       天然金剛石是自然界存在的一種特殊礦物，集諸多優點于一身：天然物質中硬度最高、彈性模量最大、熱導率也最高。除此之外還具有優良的場致發射特性、禁帶寬度很大，摻雜后可用作半導體材料；金剛石還是性能優異的光學窗口材料，在從紫外到遠紅外，甚至到微波頻段，均具有優良的透過率。

       天然金剛石礦藏由于受利益集團的控制，在市場上的流通量有限，價格也一直居高不下。面對“鉆石恒久遠，一顆永流傳”這樣的商業謊言，我們也只能干瞪眼。常言道：能用錢解決的問題，都不是問題。問題是沒有錢！畢竟按“克拉”來賣的東西，能買一小顆哄哄老婆已經不易。對于常規熱設計，如果你說要用天然金剛石來解決散熱問題，估計有兩種結果：要么你把領導嚇個半死，要么你被領導打個半死。

       好在除了天然金剛石之外，人造金剛石技術也日益成熟。在各種各樣的人造金剛石中，最有應用潛力的方向是金剛石薄膜。目前，金剛石薄膜主要采用化學氣相沉積（CVD）技術制造而來，能夠制備幾乎各種形狀，理論上其尺寸不受限制。金剛石薄膜同樣具有優異的物理化學性能，且成本較天然金剛石更為低廉，因此在電子、光學、機械等工業領域比天然金剛石更有優勢！

CVD金剛石薄膜的部分應用領域

       只要價格能控制在合適的范圍，我們在熱設計中用一下金剛石薄膜還是非常有希望的—畢竟我們熱設計也屬于“高端”行業嘛！本文主要對金剛石薄膜的熱學應用作一淺顯介紹，期望拋出去一塊磚，引來一堆金剛石。

以下分幾個方面簡單介紹：

       二、走近金剛石薄膜

       2.1 時刻牢記：

       曠世巨鉆，不過是碳！

       2.2 金剛石薄膜的等級

       金剛石膜按應用場景及性能需求不同，分成不同等級，如要求較低的熱學級（熱沉片）和機械級（用于硬質刀具），要求較高的電子級和光學級。不同等級的金剛石膜價格上有明顯的差異。

       上圖是ADT公司制備的不同類型的金剛石膜：（1）淡藍色的為摻雜有硼元素的金剛石膜；（2）物色透明的為光學級膜；（3）黑乎乎的膜為機械級；（4）類似于磨砂塑料片，表面粗糙的金剛石膜是CVD制備出來，未打磨的原始狀態。

       為了看的更直觀些，我把朋友發我的珍藏圖也拿出來。

       表面未作處理的粗糙料（熱沉級）

       甲：這粗糙的玩意兒，你告訴我是金剛石？！

       乙：嗯，確切地說應該叫類金剛石！客官，不要只看表面嘛！打磨一下也是表面光潔如玉的呀！

       甲：這灰不拉嘰的圓片，即便打磨后也是灰色的吧？

       乙：嗯，是的！光潔如灰玉！灰玉也是玉嘛！來來來，客官，下面這張是打磨后的光學級的金剛石。

       甲：這看起來還像那么回事！

打磨拋光洗白白的金剛石膜（光學級）

       2.3 金剛石膜的導熱系數

       好了，閑言少敘。匯總一下不同類型的剛石及其導熱系數。

       為啥不同類型金剛石的導熱性能差異那么大？

       這涉及到金剛石的傳熱機理。不同于常規的金屬依靠電子運動來導熱，金剛石主要依靠聲子傳熱。而金剛石的晶界、雜質、空位、三聲子過程等對載熱聲子的平均自由程有不同程度的影響，導致相應的導熱能力（導熱系數）有差異。

上表中給出的是不同類型的金剛石（膜）在300K的室溫下的導熱系數。實際上材料的導熱系數都是溫度的函數。對于常規的地面電子設備散熱溫區較小，一般導熱系數變化不大，可近似認為恒定值。但對于金剛石膜這種高性能材料，其應用場景可能更為特殊，所以有必要強調一下：材料的導熱系數是隨溫度變化的！比熱容也是隨溫度變化的！

       好啦！金剛石膜的熱設計應用部分將在第二部分中介紹，敬請關注。