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一直以来,碳化硅和金刚石都是关注度很高的材料,由于他们的性能有相似之处,致使在使用上也有一些重合,因此在某些领域会出现竞争甚至是“被冒充”的情况。事情先从珠宝界讲起。
由于高昂的价格,在利益的驱使下,钻石市场一直受到仿钻宝石的冲击,其中莫桑石无疑是最令人头疼的家伙。我们先来了解这两种材料。
按质量和用途分的话,金刚石可以分为宝石级金刚石和工业金刚石。我们平常说的钻石即宝石级金刚石,是经过琢磨的金刚石。
天然钻石主要形成于位于地下150~250千米深处的金伯利岩。在这样的深度,一些矿物结晶被含碳热流体包裹,晶体中的其他矿物质被碳元素置换出来,碳元素取而代之形成钻石。但也有些钻石是碳元素在高温高压下结晶形成的。火山喷发将位于地下深层的金伯利岩输送到地表,能够搭上“顺风车”的钻石只是少数。
尽管钻石代表着永恒的爱情,但是它实在太贵了,品相极好的钻石,一克拉可以报价数十万甚至百万,对于粗心的人来说丢了简直“损失一个亿”。如果把它放到橱柜里吃灰则又失去了装饰的意义。
“莫桑钻”即由一种叫莫桑石的碳化硅晶体材料打造而成。天然的莫桑石由诺贝尔奖获得者—亨利·莫桑博士在1893年分析坠落到美国亚利桑那州代阿布洛峡谷的陨石碎片时发现。1905年,为了表示对他的敬意,莫桑石因此得名。莫桑石成分为100%SiC,也称为金刚砂(连这个都要和金刚石如此相像)。
天然莫桑石在自然界中十分稀有,只能形成于极端环境,如陨石、地幔岩石中。天然莫桑石形状各异,颜色也多种多样,包括蓝色、蓝带绿、绿色、灰色、绿带黄、及无色,多为暗绿色、黑色,可用作磨料,却无法用作宝石镶嵌。由于天然莫桑石非常稀少,储量不足以用作宝石用途,品质也不够,因此并不具有商业价值。所有应用于珠宝行业的莫桑石均为人工合成材料。
尽管天然莫桑石无法用于制作宝石,但人工合成的莫桑石可不得了,它是一种近似无色的独特宝石材料,乍看之下,莫桑石与天然钻石无法分别,甚至连普通仪器也区分不出,然而仔细看会发现莫桑石的火彩比钻石更强,更为惊艳,能完美做到“以假乱真”,而价格却连钻石的十分之一都不到。尤其在微商、代购盛行的时期,“莫桑钻”被包装成了钻石中的一种进行炒作。因此引得不少钻石从业者出来打假,但“撕来撕去”也没个明确结果。
至于说莫桑石是“骗局”,小编认为从商家追逐利益而进行的过度炒作的角度而言的确是“骗局”,但这并不是说莫桑石是假宝石。尽管天然莫桑石无法用作宝石,但人工合成的莫桑石制备难度可也绝不含糊,一粒莫桑石从粉料合成,到结晶生长,再到抛光打磨成为人们眼前闪耀夺目的宝石,需要复杂的工艺和稳定的周期,同时需要巨大的人力、物力及资金投入。
就算是钻石,市面上人工合成的钻石可也占了很大一部分市场。另外,最初美国C3公司是把“合成莫桑石”作为一种新型宝石推向市场,而不是作为“仿钻”材料出售的。因此,当将莫桑石当做钻石出售的时候,那它就是假钻石,而将它当作合成宝石出售的时候,它就是一类真宝石。
磨料是锐利、坚硬的材料,用以磨削或抛光被加工材料表面。磨料在工业上应用非常广泛,特别是加工高精度或低粗糙度的零件或特别硬的零件时,磨料作为切磨工具中的重要组成部分是必不可少的。其中,碳化硅和金刚石是两种常见的磨料。
碳化硅硬度仅次于金刚石和六方氮化硼,由于其硬度高,可制备成各种磨削用的砂轮、砂布、砂纸以及各类磨料,广泛应用于机械加工行业。碳化硅主要分为黑碳化硅和绿碳化硅两种。黑碳化硅相对绿碳化硅硬度较低,用来磨硬度较低的材料,如铸铁和非金属材料;绿碳化硅适合磨削硬质合金,光学玻璃、钛合金之类的东西,还有一种立方碳化硅专用于微型轴承的超精磨。
金刚石有着比碳化硅更高的硬度,颗粒外形尖锐锋利,与立方氮化硼同属于超硬磨料,对于不同硬度的材料都具有很好的磨削作用,对于存在软硬相差悬殊的不同相的合金试样抛光效果较好。因此,金刚石磨料覆盖了包括各种高硬、高脆、高强韧性材料的几乎全部被加工材料。但因其在700℃~800℃时容易碳化,所以它不适于磨削钢铁材料及超高速磨削。
目前来看,金刚石由于有着比碳化硅更高的硬度,磨削效率更高,因此在高硬、高脆、高强韧性材料切磨方面正逐步取代碳化硅。
值得一提的是,随着碳化硅作为第三代半导体的起飞,SiC晶圆研磨抛光成为新的热点,但SiC因本身硬度大、脆性大、化学惰性强等特点,难以同时保证高抛光质量和高抛光速率,是典型的难加工材料,而金刚石与氧化铝、SiO2等搭配形成的复合磨料可用于对碳化硅晶圆的抛光,也算是与碳化硅之间展开的一场硬汉间的较量。
高性能半导体器件的制造离不开先进的半导体材料,为了满足半导体器件的使用性能,半导体材料先后经历了以硅、锗为代表的第一代元素半导体材料;以砷化镓、磷化铟为代表的第二代化合物半导体材料和以碳化硅、氮化镓为代表的第三代宽禁带半导体材料。
碳化硅半导体就不用过多介绍了,作为目前发展最成熟的第三代半导体材料,近些年大火特火。尤其是在“双碳”战略背景下,碳化硅被深度绑定新能源汽车、光伏、储能等节能减碳行业,万众瞩目。因此,有人称其是一种“正在离地起飞的半导体材料。”
金刚石是超宽禁带半导体,其禁带宽度为5.5eV,具有高电子迁移率(4500cm2/Vs)、高电子饱和速度(2×107cm/s)、高击穿场强(107V/cm)和高热导率(2000W/m·K)等特点,其功率器件的JOHNSONS优值为宽禁带半导体SiC的10倍。随着SiC和GaN功率电子学进入发展成熟阶段,新的需求又在推动下一代功率电子学的发展,金刚石被认为是制备下一代高功率、高频、高温及低功率损耗电子器件最有希望的材料,被业界誉为“终极半导体”。
可以预见,未来金刚石和碳化硅或将在宽禁带领域展开正面的PK。但目前来看,碳化硅已经进入商业化应用阶段,受惠于下游应用市场的强劲需求,产业正处于高速成长期。而金刚石半导体仍在实验室阶段,要真正实现量产,依然需要花费很长的时间,此外,在具体应用方面,金刚石半导体的落脚点仍不明朗。因此,在很长一段时间内金刚石还抢不了碳化硅的风头。