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年末歲尾，回首金剛石行業(yè)的2021，這一年，從年初首篇Science的深層彈性應(yīng)變工程，調(diào)控帶隙，斜波壓縮的新動(dòng)態(tài)高壓技術(shù)，到年底一天2篇非晶碳材料登上Nature頂刊；培育鉆石高速發(fā)展，勢不可擋，克拉自由的呼聲愈發(fā)高漲；碳中和、碳達(dá)峰政策下，限電環(huán)保成為超硬材料轉(zhuǎn)型升級的一座大山，同時(shí)金剛石半導(dǎo)體等功能應(yīng)用帶來機(jī)遇；隨著高考季的結(jié)束，一封封錄取通知書到達(dá)學(xué)子手中，雕刻著校訓(xùn)的CVD金剛石成為獨(dú)特的入學(xué)禮物；全年芯荒，跨界造芯，碳基半導(dǎo)體價(jià)值日益突出，開拓半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)新道路；元宇宙，量子科技……

金剛石行業(yè)究竟有哪些突破？里程碑上又添上了哪些足跡呢？今天，我們來好好盤點(diǎn)一下2021年金剛石行業(yè)的大事情。

 2021，新年伊始，首篇《Science》打破金剛石傳統(tǒng)堅(jiān)硬形象，通過彎曲納米金剛石針，實(shí)現(xiàn)極大、可逆、均勻彈性變形！這為新一代微電子科技開拓新方向！

金剛石，憑借超高的導(dǎo)熱性、介電擊穿強(qiáng)度、載流子遷移率和超寬的帶隙，成為電子和光子材料的珠穆朗瑪峰。然而，實(shí)現(xiàn)金剛石基電子和光電器件的一個(gè)嚴(yán)重障礙是，其寬禁帶及緊固的晶體結(jié)構(gòu)所帶來的摻雜挑戰(zhàn)。一個(gè)可能的解決方案是利用“應(yīng)變工程”，從根本上改變材料的能帶結(jié)構(gòu)及其相關(guān)光電特性。不過，由于塊體金剛石的極高硬度和脆性，這一策略長期被視為不可行。

香港城市大學(xué)陸洋教授與合作團(tuán)隊(duì)通過彎曲納米金剛石針，證明了超大彈性變形。局部拉伸彈性應(yīng)變，在幾十納米范圍內(nèi)達(dá)到9%以上，強(qiáng)度接近金剛石的理論極限。與此同時(shí)，通過對微加工的金剛石進(jìn)行'深層彈性應(yīng)變工程’（deep elastic strain engineering），來研制電子器件的可能性，在光子學(xué)、電子學(xué)和量子信息技術(shù)方面的巨大應(yīng)用潛力。這一成果于2021年元月1日發(fā)表在國際頂級期刊Science上。 

鏈接https://science.sciencemag.org/content/371/6524/76

長期以來人們一直預(yù)測，在比地球核心更大的壓力下，甚至可以存在更多的結(jié)構(gòu)，這對于富含碳的系外行星內(nèi)部的準(zhǔn)確建模很重要。然而，Multi-TPa的壓力遠(yuǎn)超過實(shí)驗(yàn)室中使用砧座在靜態(tài)條件下所能達(dá)到的壓力。由于預(yù)計(jì)在各相之間存在巨大的焓壘，因此在實(shí)驗(yàn)室壓縮實(shí)驗(yàn)中金剛石是否以及如何轉(zhuǎn)變成預(yù)測相中的一個(gè)絕不是簡單的問題。

美國勞倫斯利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室A. Lazicki教授等人通過使用斜坡形激光脈沖將固體碳壓縮到2 TPa（2000萬大氣壓；超過地核壓力的5倍），同時(shí)測量納秒持續(xù)時(shí)間的時(shí)間分辨X射線衍射，發(fā)現(xiàn)固體碳保留的金剛石結(jié)構(gòu)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出其預(yù)測的穩(wěn)定性。結(jié)果證實(shí)了金剛石中四面體分子軌道鍵的強(qiáng)度在巨大壓力下持續(xù)存在的預(yù)測，這導(dǎo)致了巨大的能量勢壘，阻礙了向更穩(wěn)定的高壓同素異形體的轉(zhuǎn)化，正如亞穩(wěn)金剛石中石墨的形成在大氣壓下受到動(dòng)力學(xué)阻礙一樣。這項(xiàng)工作幾乎使記錄在任何材料上的x射線衍射的最高壓力增加了一倍。相關(guān)研究工作以“Metastability of diamond ramp-compressed to 2 terapascals”為題發(fā)表在國際頂級期刊《Nature》上。

鏈接https://www.nature.com/articles/s41586-020-03140-4

11月底，Nature上連發(fā)兩篇合成非晶金剛石（non-crystalline diamonds）的文章，分別來自吉林大學(xué)超硬材料國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的毫米級高純sp³相無定形碳以及北京高壓科學(xué)研究中心與美國喬治梅森大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)的次晶金剛石（paracrystalline diamond） 。同期Nature 上也刊發(fā)了里昂第一大學(xué)Alfonso San-Miguel教授撰寫的觀點(diǎn)文章——“How to make macroscale non-crystalline diamonds” （Nature, 2021, 599, 563-564），就這兩篇文章的發(fā)現(xiàn)進(jìn)行了評述。

DOI: 10.1038/s41586-021-03882-9

DOI: 10.1038/s41586-021-04122-w

近年來，無定形、次晶、sp³相碳、金剛石，這些相似概念，橫霸頂刊。金剛石是最硬的天然晶體，由100%的sp³鍵合碳組成。但相比長程有序的晶體，無定形態(tài)的原子結(jié)構(gòu)缺乏解理面，因此在機(jī)械性能上會(huì)有更加均勻的表現(xiàn)，而且可以像玻璃一樣易于加工定型。之前合成的高sp³含量無定形碳，多為薄膜狀的類金剛石（diamond-like carbon, DLC，sp³含量最高為85-88%且通常含氫），或高度非平衡高壓高溫下沖擊壓縮而合成的塵埃大小微粒（樣品尺寸太小難以進(jìn)行微觀結(jié)構(gòu)表征），合成sp³含量接近100%的塊體無定形碳仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)。

吉林大學(xué)、北京高壓科學(xué)研究中心等單位分別合成的毫米級非晶金剛石，與傳統(tǒng)高溫高壓合成金剛石方法類似，不過碳源不再是普通石墨而是富勒烯C₆₀，借助于新型的大腔體壓機(jī)，在大約25-30 GPa的超高壓力和900-1300 ℃的高溫下，大壓機(jī)腔體內(nèi)部的C₆₀分子不斷聚合、坍縮并最終轉(zhuǎn)化為透明的毫米級非晶態(tài)金剛石，比早期研究大了10³-10⁴倍。與吉林大學(xué)的無定形金剛石不同的是，北京高壓科學(xué)研究中心的次晶金剛石由亞納米級別的次晶體組成，這些次晶體在幾個(gè)原子范圍內(nèi)中程有序，這種類似微晶玻璃的新形態(tài)填補(bǔ)了非晶結(jié)構(gòu)和晶體結(jié)構(gòu)之間原子排列尺度上的缺失環(huán)節(jié)。

 手機(jī)的散熱性能，直接影響了用戶使用體驗(yàn)。在散熱方面，各大品牌手機(jī)都在探索，石墨烯、水冷散熱、熱管/均熱板等已經(jīng)屢見不鮮，很多已是業(yè)界比較成熟的散熱方式。

9月22日，realme真我GT Neo2正式發(fā)布，首次采用金剛石冰心散熱系統(tǒng)，散熱面積提升30%，核心溫度最高降低18℃，散熱能力整體提升20%。真我GT Neo2再次顛覆散熱體驗(yàn)，行業(yè)首創(chuàng)金剛石散熱凝膠，將直徑為40-50微米的金剛石顆粒制成散熱凝膠，相比傳統(tǒng)凝膠提升50%-60%，讓芯片熱量快速傳遞，實(shí)現(xiàn)快速降溫。

這一年，培育鉆石徹底火出圈了！行業(yè)各環(huán)節(jié)敲鑼密鼓紛紛入局，培育鉆石高速發(fā)展，勢不可擋！國內(nèi)龍頭企業(yè)紛紛大量投產(chǎn)，加速布局，火熱擴(kuò)張，以黃河、中南、華晶、力量、上海征世、杭州超然、寧波晶鉆、沃爾德等為代表，其中，中南鉆石、沃爾德培育鉆石開啟線下零售模式，伴隨線上線下全鏈體驗(yàn)。

與此同時(shí)，終端零售商品牌加速布局，建設(shè)下游渠道商品牌，世界鉆石珠寶商巨頭相繼宣布加入培育鉆石的行業(yè)，這似乎是巨頭之間的一種默契，隨著潘多拉、卡地亞、施華洛世奇、豫園等國內(nèi)外珠寶巨頭陸續(xù)布局培育鉆石品類，品牌方大力宣傳布局，它也逐步引導(dǎo)消費(fèi)者時(shí)尚、科技環(huán)保、悅己理念，消費(fèi)者認(rèn)知度、滲透率逐步提升，帶動(dòng)需求增長，打開市場，呈現(xiàn)星星之火可以燎原態(tài)勢。

與此同時(shí)，行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)逐步完善，NGTC推出新版培育鉆石企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、IGI首獲 ISO 17025培育鉆石檢測認(rèn)證、全國珠寶玉石標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)提出對培育鉆石國家標(biāo)準(zhǔn)的修訂，中國在培育鉆石領(lǐng)域標(biāo)準(zhǔn)制定能力持續(xù)增強(qiáng)。

外界關(guān)注認(rèn)可逐步增加，央視財(cái)經(jīng)曾兩次深度報(bào)道培育鉆石，登上微博新浪熱搜再次讓培育鉆石火了一把！消博會(huì)培育鉆石與天然鉆石同臺(tái)競秀、16.42克拉征世培育超大鉆石首度亮相進(jìn)博會(huì)……

2021年9月24日上午9點(diǎn)25分，隨著深圳證券交易所里的一聲鐘鳴，河南省力量鉆石股份有限公司（證券簡稱：力量鉆石，股票代碼：301071.SZ）宣告上市！市值149億元！這聲鐘鳴意味著柘城縣迎來首家A股上市公司，河南省A股上市公司數(shù)量增加至93家。

力量鉆石自2016年進(jìn)入培育鉆石行業(yè)，2019年后迅速發(fā)展，成為金剛石單晶、金剛石微粉和培育鉆石細(xì)分市場領(lǐng)先者，同時(shí)再一次引發(fā)了市場對于河南培育鉆石產(chǎn)業(yè)的關(guān)注。

今天，芯片自研至關(guān)重要！芯片是軟肋也是鎧甲，號(hào)角已經(jīng)吹響，競爭還在繼續(xù)?？缃缭煨境蔀槌B(tài)化布局，中國移動(dòng)、華為、OPPO、立訊精密四大巨頭紛紛入圍。與此同時(shí)，工信部強(qiáng)化政策引導(dǎo)，將碳基材料納入“十四五”原材料工業(yè)相關(guān)發(fā)展規(guī)劃，碳基芯片將被定義為下一個(gè)芯片時(shí)代的主流。

以石墨烯、碳納米管、金剛石等材料為核心的碳基功能材料和器件研究是信息技術(shù)的重要發(fā)展方向，碳基電子學(xué)也是主導(dǎo)未來高科技競爭的顛覆性技術(shù)之一。另外，二十一世紀(jì)以來，以碳化硅、氮化鎵、金剛石為代表的寬禁帶半導(dǎo)體正在憑借優(yōu)秀的材料特性迅速崛起，成為"十四五"規(guī)劃中重點(diǎn)發(fā)展的方向和如期實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和的重要抓手，在高頻高功率應(yīng)用、市場規(guī)模不斷擴(kuò)大，正成為全球半導(dǎo)體行業(yè)的研究熱點(diǎn)。

金剛石憑借優(yōu)異的半導(dǎo)體性質(zhì)，被認(rèn)為是制備下一代高功率、高頻、高溫及低功率損耗電子器件最有希望的材料，譽(yù)為“終極半導(dǎo)體”，在半導(dǎo)體、高頻功率器件中的應(yīng)用日益凸顯。金剛石單晶及制品是超精密加工、智能電網(wǎng)、智能制造、5G通訊等國家重大戰(zhàn)略實(shí)施和產(chǎn)業(yè)群升級的重要材料基礎(chǔ)，金剛石半導(dǎo)體技術(shù)的突破與產(chǎn)業(yè)化對于中國智能制造、大數(shù)據(jù)產(chǎn)業(yè)自主安全具有重大意義。

目前，全球半導(dǎo)體金剛石半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)化方向不斷探索，熱沉散熱、高功率器件、射頻等不斷加速產(chǎn)業(yè)化研究，其中全球Gan金剛石半導(dǎo)體襯底主要廠商有GElement Six、Akash Systems、 Qorvo、 RFHICCorporation等。全球前四大廠商共占有超過90%的市場份額。美國AKHAN半導(dǎo)體公司董事長亞當(dāng)·汗（Adam Khan）在接受采訪時(shí)表示，將推動(dòng)金剛石半導(dǎo)體器件在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用；另外，未來量子計(jì)算機(jī)或可憑借金剛石制成的芯片，大幅提升計(jì)算機(jī)熱導(dǎo)率，讓計(jì)算機(jī)在接近絕對零度下也能保持順暢運(yùn)行……

誰贏得了量子計(jì)算，誰就贏得下一個(gè)100年。作為又一個(gè)不亞于“芯片”的重要領(lǐng)域，中美日等國在這一賽道激烈競逐，美國雖遙遙領(lǐng)先，但中國也有效突破，成為唯二“量子優(yōu)越性”的國家。

2021年7月1日，中科大潘建偉團(tuán)隊(duì)宣稱又一次實(shí)現(xiàn)了“量子計(jì)算優(yōu)越性”。世界最強(qiáng)的超級計(jì)算機(jī)8年才能完成的任務(wù)，用“祖沖之號(hào)”量子計(jì)算機(jī)（超導(dǎo)量子計(jì)算）最短1.2個(gè)小時(shí)就能實(shí)現(xiàn)。這距離我國2020年12月，通過“九章”量子計(jì)算機(jī)（光量子）首次實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算優(yōu)越性，僅過去7個(gè)月。量子科技，已成為大國資本博弈的下一個(gè)角力場。

量子，Sicence、Nature頂刊的?？停x產(chǎn)業(yè)化似乎遙不可及。但這一年，站在技術(shù)風(fēng)口的量子技術(shù)，硬科技出海。2020年，正式成為量子技術(shù)投資爆發(fā)的節(jié)點(diǎn)，全球投資總額跳升3倍至9.2億美元，各國開始探索量子技術(shù)在金融、制藥、AI等領(lǐng)域的現(xiàn)實(shí)應(yīng)用。目前，僅量子計(jì)算領(lǐng)域，全球創(chuàng)業(yè)公司已有80多家。未來，一旦量子計(jì)算的超強(qiáng)算力在實(shí)業(yè)領(lǐng)域落地，將徹底改變眾多產(chǎn)業(yè)的發(fā)展格局。據(jù)波士頓咨詢公司預(yù)測，到2030年，量子計(jì)算市場規(guī)模有望達(dá)到500多億美元，發(fā)展空間廣闊。當(dāng)下，在技術(shù)發(fā)展、政策重視的加持下，量子技術(shù)已開始走出實(shí)驗(yàn)室，探索在各領(lǐng)域的現(xiàn)實(shí)應(yīng)用，量子計(jì)算、量子通信和量子測量三大領(lǐng)域的投資與創(chuàng)業(yè)迅速升溫。尤其是量子精密測量與計(jì)算，處于產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的前夕，在各大科技巨頭和初創(chuàng)公司的探索、演繹和推進(jìn)下，一切似乎逐漸變得有跡可循。

國儀量子金剛石量子計(jì)算教學(xué)機(jī)出口發(fā)達(dá)國家；量子初創(chuàng)公司Quantum Brilliance獲得近1000萬美元的種子資金，用于加速桌面型金剛石（Diamond）量子計(jì)算機(jī)的商業(yè)化進(jìn)程；元素六推出首款商用化學(xué)氣相沉積法（CVD）量子級金剛石DNV-B1?……，金剛石作為量子材料與量子技術(shù)革命的主要參與者，其晶體結(jié)構(gòu)可以提供大量的缺陷宿主，成為全球量子科研人員的“重點(diǎn)關(guān)注對象”。

2021年，全國兩會(huì)上，“碳達(dá)峰、碳中和”被首次寫入政府工作報(bào)告，成為“熱詞”。伴隨著“30-60”概念被反復(fù)提及，碳達(dá)峰、碳中和升級為國家戰(zhàn)略，和每個(gè)領(lǐng)域息息相關(guān)，金剛石行業(yè)在雙碳政策下同樣面臨機(jī)遇與挑戰(zhàn)。

金剛石作為重要的超硬材料之一，作為工程材料，例如制造磨具、鉆探工具、鋸切工具、切削工具等，為工業(yè)技術(shù)的現(xiàn)代化作出了巨大的貢獻(xiàn)，相比棕剛玉、碳化硅等普通磨料，更為綠色環(huán)保。

另外，隨著新能源汽車的崛起，發(fā)動(dòng)機(jī)及變速箱產(chǎn)量的下降，勢必對超硬刀具市場帶來影響。汽車將更加輕量化，整車、零部件等原材料將由鑄鐵、鋼件替代為鋁合金等，而超硬刀具在鋁合金等輕型材料、電子元件的超精密加工上占據(jù)明顯優(yōu)勢，在未來汽車領(lǐng)域的需求會(huì)越來越大。

另外，作為現(xiàn)代科技的底層基礎(chǔ)與核心，原材料、芯片和器件等是全產(chǎn)業(yè)鏈落實(shí)雙碳戰(zhàn)略目標(biāo)的保障。5G通信、新能源汽車、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、風(fēng)能、電能、太陽能、電力儲(chǔ)存在內(nèi)的雙碳經(jīng)濟(jì)對芯片的要求都很高，超越摩爾定律成為必然，現(xiàn)在的SiC、GaN和未來的金剛石都會(huì)是《巨大》的風(fēng)口！金剛石是第三代半導(dǎo)體重要材料之一，也稱為"終極半導(dǎo)體"，其具有帶隙寬、熱導(dǎo)率高、擊穿場強(qiáng)高、載流子遷移率高、耐高溫等優(yōu)異性能，在高頻、高功率、高溫電子器件，核輻射探測器、光電器件、微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）等領(lǐng)域表現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。

與此同時(shí)，碳中和背景下全球光伏裝機(jī)量有望快速增長，預(yù)計(jì)2030年全球光伏新增裝機(jī)量有望突破615GW。十四五規(guī)劃期間，光伏是新能源的重要發(fā)展項(xiàng)目，IEA和國家能源局預(yù)計(jì)中國光伏新增裝機(jī)量占全球比重將提升至34%。光伏的高速發(fā)展將帶動(dòng)產(chǎn)業(yè)鏈細(xì)分優(yōu)質(zhì)行業(yè)協(xié)同受益，金剛石線也有望迎來新一輪的成長機(jī)遇。

但是，金剛石制造的過程需要苛刻條件，尤其是對于光學(xué)、電子級別的金剛石，不管是對于HPHT，還是CVD法，耗時(shí)耗電必不可少，也是排放大戶，金剛石功能化產(chǎn)業(yè)的擴(kuò)張勢必要大口吞噬更多電力。2021年9月底，全國不少地區(qū)拉閘限電上了熱搜！據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，已有十余個(gè)省份采取限產(chǎn)、限電措施，再加上入冬的環(huán)保限產(chǎn)問題，停產(chǎn)減產(chǎn)、控本降費(fèi)、提質(zhì)增效、高質(zhì)量發(fā)展等成為行業(yè)討論的高頻詞。限電影響并不單單影響金剛石及超硬材料企業(yè)，而是整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈！機(jī)遇與挑戰(zhàn)并存，金剛石企業(yè)該如何把握這輪機(jī)遇，順勢而為、乘勢而上，傳統(tǒng)企業(yè)如何轉(zhuǎn)型升級成為了當(dāng)下迫切需要思考的問題。

博學(xué)篤志，格物明德，拿起放大鏡對準(zhǔn)校訓(xùn)卡，國科大校訓(xùn)赫然雕刻在CVD金剛石單晶片上，一封獨(dú)特的錄取通知書成為2021最“硬核”禮物。這份“硬核”禮物的亮點(diǎn)不光是材料領(lǐng)域，還包括激光微納米加工這一極端制造領(lǐng)域。這一工作由寧波材料所研究員江南和張文武團(tuán)隊(duì)共同完成。

專精特新“小巨人”成為近期熱詞。“專、精、特、新”是指專業(yè)化、精細(xì)化、特色化和新穎化。在今年7月份完成公示后，一大批創(chuàng)新能力強(qiáng)、發(fā)展趨勢好的企業(yè)，正式成為國家級專精特新“小巨人”企業(yè)。

2021年9月，工信部發(fā)布第三批專精特新“小巨人”企業(yè)公示名單，共有2930家企業(yè)，其中有12家超硬材料、磨料磨具企業(yè)入圍名單。7家屬于超硬材料行業(yè)，分別是焦作天寶桓祥、鄭州博特、長治高測、安徽亞珠、泉州眾志、江漢鉆具、鄂信鉆石。加上第一批專精特新“小巨人”企業(yè)——富耐克、黑旋風(fēng)，第二批專精特新“小巨人”企業(yè)——四方達(dá)、惠豐鉆石、蓬萊超硬、成都百施特，超硬材料行業(yè)共有13家國家級專精特新“小巨人”企業(yè)。

2020，2021這兩年，都說這是被疫情“偷走的兩年”，其實(shí)你也在偷偷成長