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2021，再见！ 今天，12月31日，2021的最后一天 冬日暖阳，依旧 季节的风，吹来冬的寒意 带走2021的忙碌 …… 回过神，才发现，时光又匆匆流逝，转眼间一年又要过去了，2021次列车即将驶达终点。 时间好像过得特别慢，又特别快。这一年里，太多记忆，值得细数。静静思考，盘点往事，这一年的你，都获得了哪些？如果用一个字或词形容这一年，你会用哪个？2021，你又有哪些突破？ 年末岁尾，回首金刚石行业的2021，这一年，从年初首篇Science的深层弹性应变工程，调控带隙，斜波压缩的新动态高压技术，到年底一天2篇非晶碳材料登上Nature顶刊；培育钻石高速发展，势不可挡，克拉自由的呼声愈发高涨；碳中和、碳达峰政策下，限电环保成为超硬材料转型升级的一座大山，同时金刚石半导体等功能应用带来机遇；随着高考季的结束，一封封录取通知书到达学子手中，雕刻着校训的CVD金刚石成为独特的入学礼物；全年芯荒，跨界造芯，碳基半导体价值日益突出，开拓半导体产业新道路；元宇宙，量子科技…… 金刚石行业究竟有哪些突破？里程碑上又添上了哪些足迹呢？今天，我们来好好盘点一下2021年金刚石行业的大事情。 01 弹性拉伸金刚石 2021，新年伊始，首篇《Science》打破金刚石传统坚硬形象，通过弯曲纳米金刚石针，实现极大、可逆、均匀弹性变形！这为新一代微电子科技开拓新方向！ 金刚石，凭借超高的导热性、介电击穿强度、载流子迁移率和超宽的带隙，成为电子和光子材料的珠穆朗玛峰。然而，实现金刚石基电子和光电器件的一个严重障碍是，其宽禁带及紧固的晶体结构所带来的掺杂挑战。一个可能的解决方案是利用“应变工程”，从根本上改变材料的能带结构及其相关光电特性。不过，由于块体金刚石的极高硬度和脆性，这一策略长期被视为不可行。 香港城市大学陆洋教授与合作团队通过弯曲纳米金刚石针，证明了超大弹性变形。局部拉伸弹性应变，在几十纳米范围内达到9%以上，强度接近金刚石的理论极限。与此同时，通过对微加工的金刚石进行'深层弹性应变工程’（deep elastic strain engineering），来研制电子器件的可能性，在光子学、电子学和量子信息技术方面的巨大应用潜力。这一成果于2021年元月1日发表在国际顶级期刊Science上。 链接https://science./content/371/6524/76 02 “压力山大”下，金刚石保持“金刚不坏”! 长期以来人们一直预测，在比地球核心更大的压力下，甚至可以存在更多的结构，这对于富含碳的系外行星内部的准确建模很重要。然而，Multi-TPa的压力远超过实验室中使用砧座在静态条件下所能达到的压力。由于预计在各相之间存在巨大的焓垒，因此在实验室压缩实验中金刚石是否以及如何转变成预测相中的一个绝不是简单的问题。 美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室A. Lazicki教授等人通过使用斜坡形激光脉冲将固体碳压缩到2 TPa（2000万大气压；超过地核压力的5倍），同时测量纳秒持续时间的时间分辨X射线衍射，发现固体碳保留的金刚石结构远远超出其预测的稳定性。结果证实了金刚石中四面体分子轨道键的强度在巨大压力下持续存在的预测，这导致了巨大的能量势垒，阻碍了向更稳定的高压同素异形体的转化，正如亚稳金刚石中石墨的形成在大气压下受到动力学阻碍一样。这项工作几乎使记录在任何材料上的x射线衍射的最高压力增加了一倍。相关研究工作以“Metastability of diamond ramp-compressed to 2 terapascals”为题发表在国际顶级期刊《Nature》上。 链接https://www./articles/s41586-020-03140-4 03 非晶金刚石 11月底，Nature上连发两篇合成非晶金刚石（non-crystalline diamonds）的文章，分别来自吉林大学超硬材料国家重点实验室的毫米级高纯sp3相无定形碳以及北京高压科学研究中心与美国乔治梅森大学研究团队的次晶金刚石（paracrystalline diamond） 。同期Nature 上也刊发了里昂第一大学Alfonso San-Miguel教授撰写的观点文章——“How to make macroscale non-crystalline diamonds” （Nature, 2021, 599, 563-564），就这两篇文章的发现进行了评述。 DOI: 10.1038/s41586-021-03882-9 DOI: 10.1038/s41586-021-04122-w 近年来，无定形、次晶、sp3相碳、金刚石，这些相似概念，横霸顶刊。金刚石是最硬的天然晶体，由100%的sp3键合碳组成。但相比长程有序的晶体，无定形态的原子结构缺乏解理面，因此在机械性能上会有更加均匀的表现，而且可以像玻璃一样易于加工定型。之前合成的高sp3含量无定形碳，多为薄膜状的类金刚石（diamond-like carbon, DLC，sp3含量最高为85-88%且通常含氢），或高度非平衡高压高温下冲击压缩而合成的尘埃大小微粒（样品尺寸太小难以进行微观结构表征），合成sp3含量接近100%的块体无定形碳仍然是一个挑战。 吉林大学、北京高压科学研究中心等单位分别合成的毫米级非晶金刚石，与传统高温高压合成金刚石方法类似，不过碳源不再是普通石墨而是富勒烯C60，借助于新型的大腔体压机，在大约25-30 GPa的超高压力和900-1300 ℃的高温下，大压机腔体内部的C60分子不断聚合、坍缩并最终转化为透明的毫米级非晶态金刚石，比早期研究大了103-104倍。与吉林大学的无定形金刚石不同的是，北京高压科学研究中心的次晶金刚石由亚纳米级别的次晶体组成，这些次晶体在几个原子范围内中程有序，这种类似微晶玻璃的新形态填补了非晶结构和晶体结构之间原子排列尺度上的缺失环节。 04 金刚石散热凝胶 手机的散热性能，直接影响了用户使用体验。在散热方面，各大品牌手机都在探索，石墨烯、水冷散热、热管/均热板等已经屡见不鲜，很多已是业界比较成熟的散热方式。 9月22日，realme真我GT Neo2正式发布，首次采用金刚石冰心散热系统，散热面积提升30%，核心温度最高降低18℃，散热能力整体提升20%。真我GT Neo2再次颠覆散热体验，行业首创金刚石散热凝胶，将直径为40-50微米的金刚石颗粒制成散热凝胶，相比传统凝胶提升50%-60%，让芯片热量快速传递，实现快速降温。 05 克拉自由、培育钻石火出圈 这一年，培育钻石彻底火出圈了！行业各环节敲锣密鼓纷纷入局，培育钻石高速发展，势不可挡！国内龙头企业纷纷大量投产，加速布局，火热扩张，以黄河、中南、华晶、力量、上海征世、杭州超然、宁波晶钻、沃尔德等为代表，其中，中南钻石、沃尔德培育钻石开启线下零售模式，伴随线上线下全链体验。 与此同时，终端零售商品牌加速布局，建设下游渠道商品牌，世界钻石珠宝商巨头相继宣布加入培育钻石的行业，这似乎是巨头之间的一种默契，随着潘多拉、卡地亚、施华洛世奇、豫园等国内外珠宝巨头陆续布局培育钻石品类，品牌方大力宣传布局，它也逐步引导消费者时尚、科技环保、悦己理念，消费者认知度、渗透率逐步提升，带动需求增长，打开市场，呈现星星之火可以燎原态势。 与此同时，行业标准逐步完善，NGTC推出新版培育钻石企业标准、IGI首获 ISO 17025培育钻石检测认证、全国珠宝玉石标准化技术委员会提出对培育钻石国家标准的修订，中国在培育钻石领域标准制定能力持续增强。 外界关注认可逐步增加，央视财经曾两次深度报道培育钻石，登上微博新浪热搜再次让培育钻石火了一把！消博会培育钻石与天然钻石同台竞秀、16.42克拉征世培育超大钻石首度亮相进博会…… 06 力量钻石上市 2021年9月24日上午9点25分，随着深圳证券交易所里的一声钟鸣，河南省力量钻石股份有限公司（证券简称：力量钻石，股票代码：301071.SZ）宣告上市！市值149亿元！这声钟鸣意味着柘城县迎来首家A股上市公司，河南省A股上市公司数量增加至93家。 力量钻石自2016年进入培育钻石行业，2019年后迅速发展，成为金刚石单晶、金刚石微粉和培育钻石细分市场领先者，同时再一次引发了市场对于河南培育钻石产业的关注。 07 跨界造芯、碳基半导体 今天，芯片自研至关重要！芯片是软肋也是铠甲，号角已经吹响，竞争还在继续。跨界造芯成为常态化布局，中国移动、华为、OPPO、立讯精密四大巨头纷纷入围。与此同时，工信部强化政策引导，将碳基材料纳入“十四五”原材料工业相关发展规划，碳基芯片将被定义为下一个芯片时代的主流。 以石墨烯、碳纳米管、金刚石等材料为核心的碳基功能材料和器件研究是信息技术的重要发展方向，碳基电子学也是主导未来高科技竞争的颠覆性技术之一。另外，二十一世纪以来，以碳化硅、氮化镓、金刚石为代表的宽禁带半导体正在凭借优秀的材料特性迅速崛起，成为"十四五"规划中重点发展的方向和如期实现碳达峰、碳中和的重要抓手，在高频高功率应用、市场规模不断扩大，正成为全球半导体行业的研究热点。 金刚石凭借优异的半导体性质，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，誉为“终极半导体”，在半导体、高频功率器件中的应用日益凸显。金刚石单晶及制品是超精密加工、智能电网、智能制造、5G通讯等国家重大战略实施和产业群升级的重要材料基础，金刚石半导体技术的突破与产业化对于中国智能制造、大数据产业自主安全具有重大意义。 目前，全球半导体金刚石半导体产业化方向不断探索，热沉散热、高功率器件、射频等不断加速产业化研究，其中全球Gan金刚石半导体衬底主要厂商有GElement Six、Akash Systems、 Qorvo、 RFHICCorporation等。全球前四大厂商共占有超过90%的市场份额。美国AKHAN半导体公司董事长亚当·汗（Adam Khan）在接受采访时表示，将推动金刚石半导体器件在汽车领域的应用；另外，未来量子计算机或可凭借金刚石制成的芯片，大幅提升计算机热导率，让计算机在接近绝对零度下也能保持顺畅运行…… 08 量子科技 谁赢得了量子计算，谁就赢得下一个100年。作为又一个不亚于“芯片”的重要领域，中美日等国在这一赛道激烈竞逐，美国虽遥遥领先，但中国也有效突破，成为唯二“量子优越性”的国家。 2021年7月1日，中科大潘建伟团队宣称又一次实现了“量子计算优越性”。世界最强的超级计算机8年才能完成的任务，用“祖冲之号”量子计算机（超导量子计算）最短1.2个小时就能实现。这距离我国2020年12月，通过“九章”量子计算机（光量子）首次实现量子计算优越性，仅过去7个月。量子科技，已成为大国资本博弈的下一个角力场。 量子，Sicence、Nature顶刊的常客，离产业化似乎遥不可及。但这一年，站在技术风口的量子技术，硬科技出海。2020年，正式成为量子技术投资爆发的节点，全球投资总额跳升3倍至9.2亿美元，各国开始探索量子技术在金融、制药、AI等领域的现实应用。目前，仅量子计算领域，全球创业公司已有80多家。未来，一旦量子计算的超强算力在实业领域落地，将彻底改变众多产业的发展格局。据波士顿咨询公司预测，到2030年，量子计算市场规模有望达到500多亿美元，发展空间广阔。当下，在技术发展、政策重视的加持下，量子技术已开始走出实验室，探索在各领域的现实应用，量子计算、量子通信和量子测量三大领域的投资与创业迅速升温。尤其是量子精密测量与计算，处于产业化应用的前夕，在各大科技巨头和初创公司的探索、演绎和推进下，一切似乎逐渐变得有迹可循。 国仪量子金刚石量子计算教学机出口发达国家；量子初创公司Quantum Brilliance获得近1000万美元的种子资金，用于加速桌面型金刚石（Diamond）量子计算机的商业化进程；元素六推出首款商用化学气相沉积法（CVD）量子级金刚石DNV-B1™……，金刚石作为量子材料与量子技术革命的主要参与者，其晶体结构可以提供大量的缺陷宿主，成为全球量子科研人员的“重点关注对象”。 09 碳中和、碳达峰、拉闸限电 2021年，全国两会上，“碳达峰、碳中和”被首次写入政府工作报告，成为“热词”。伴随着“30-60”概念被反复提及，碳达峰、碳中和升级为国家战略，和每个领域息息相关，金刚石行业在双碳政策下同样面临机遇与挑战。 金刚石作为重要的超硬材料之一，作为工程材料，例如制造磨具、钻探工具、锯切工具、切削工具等，为工业技术的现代化作出了巨大的贡献，相比棕刚玉、碳化硅等普通磨料，更为绿色环保。 另外，随着新能源汽车的崛起，发动机及变速箱产量的下降，势必对超硬刀具市场带来影响。汽车将更加轻量化，整车、零部件等原材料将由铸铁、钢件替代为铝合金等，而超硬刀具在铝合金等轻型材料、电子元件的超精密加工上占据明显优势，在未来汽车领域的需求会越来越大。 另外，作为现代科技的底层基础与核心，原材料、芯片和器件等是全产业链落实双碳战略目标的保障。5G通信、新能源汽车、物联网技术、风能、电能、太阳能、电力储存在内的双碳经济对芯片的要求都很高，超越摩尔定律成为必然，现在的SiC、GaN和未来的金刚石都会是《巨大》的风口！金刚石是第三代半导体重要材料之一，也称为"终极半导体"，其具有带隙宽、热导率高、击穿场强高、载流子迁移率高、耐高温等优异性能，在高频、高功率、高温电子器件，核辐射探测器、光电器件、微机电系统（MEMS）等领域表现出巨大的应用潜力。 与此同时，碳中和背景下全球光伏装机量有望快速增长，预计2030年全球光伏新增装机量有望突破615GW。十四五规划期间，光伏是新能源的重要发展项目，IEA和国家能源局预计中国光伏新增装机量占全球比重将提升至34%。光伏的高速发展将带动产业链细分优质行业协同受益，金刚石线也有望迎来新一轮的成长机遇。 但是，金刚石制造的过程需要苛刻条件，尤其是对于光学、电子级别的金刚石，不管是对于HPHT，还是CVD法，耗时耗电必不可少，也是排放大户，金刚石功能化产业的扩张势必要大口吞噬更多电力。2021年9月底，全国不少地区拉闸限电上了热搜！据不完全统计，已有十余个省份采取限产、限电措施，再加上入冬的环保限产问题，停产减产、控本降费、提质增效、高质量发展等成为行业讨论的高频词。限电影响并不单单影响金刚石及超硬材料企业，而是整个产业链！机遇与挑战并存，金刚石企业该如何把握这轮机遇，顺势而为、乘势而上，传统企业如何转型升级成为了当下迫切需要思考的问题。 10 “硬核”录取通知书 博学笃志，格物明德，拿起放大镜对准校训卡，国科大校训赫然雕刻在CVD金刚石单晶片上，一封独特的录取通知书成为2021最“硬核”礼物。这份“硬核”礼物的亮点不光是材料领域，还包括激光微纳米加工这一极端制造领域。这一工作由宁波材料所研究员江南和张文武团队共同完成。 11 专精特新、小巨人 专精特新“小巨人”成为近期热词。“专、精、特、新”是指专业化、精细化、特色化和新颖化。在今年7月份完成公示后，一大批创新能力强、发展趋势好的企业，正式成为国家级专精特新“小巨人”企业。 2021年9月，工信部发布第三批专精特新“小巨人”企业公示名单，共有2930家企业，其中有12家超硬材料、磨料磨具企业入围名单。7家属于超硬材料行业，分别是焦作天宝桓祥、郑州博特、长治高测、安徽亚珠、泉州众志、江汉钻具、鄂信钻石。加上第一批专精特新“小巨人”企业——富耐克、黑旋风，第二批专精特新“小巨人”企业——四方达、惠丰钻石、蓬莱超硬、成都百施特，超硬材料行业共有13家国家级专精特新“小巨人”企业。 最后 2021，你突破了么？ 2020，2021这两年，都说这是被疫情“偷走的两年”，其实你也在偷偷成长 |
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