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从华为疑窃取钻石玻璃技术,谈什幺是钻石玻璃

发表于 2020-06-17 | 收藏867 |
从华为疑窃取钻石玻璃技术,谈什幺是钻石玻璃

彭博商业周刊(Bloomberg Businessweek)报导,阿汗半导体公司(Akhan Semiconductor Inc.)在玻璃表面涂上一层超薄人工钻石生产出「米拉吉钻石玻璃」(Miraj Diamond Glass),号称硬度可比目前业界标準的「大猩猩玻璃」(Gorilla Glass)萤幕强 6 倍、耐刮度强 10 倍。到底什幺是「钻石玻璃」?目前人造钻石技术究竟发展到什幺程度了?

什幺是「钻石」(Diamond)?

钻石是指「碳的钻石结构结晶」,也就是碳原子整齐排列成「钻石结构」,是目前地球已知硬度最高的物质,在工业与军事有极大的用途,同时也被称为「第三代半导体材料」,未来有可能影响整个半导体产业的发展。

【延伸阅读】关于第三代半导体材料,可参考知识力专家社群。

值得注意的是,碳原子如果整齐排列成钻石结构称为钻石,如图一上所示,但「单层的碳原子」如果整齐排列成「六边形」,就称为「石墨烯」(Graphene),如图一下所示;许许多多层石墨烯堆叠起来就形成「石墨」(Graphite);如果碳原子乱七八糟排列不整齐,则变成平常烤肉时使用的「木炭」(Charcoal)。看起来原子怎幺排列价钱差很多呢。

从华为疑窃取钻石玻璃技术,谈什幺是钻石玻璃

从华为疑窃取钻石玻璃技术,谈什幺是钻石玻璃

 图一:钻石(上)与石墨烯的碳原子排列方式。

天然钻石与人造钻石

钻石虽然用途很多,但在自然界的碳原子要「整块」形成结晶极困难,只有埋藏在很深的地底(高温),并受到地壳挤压(高压)的严苛条件下才会形成钻石结构,要满足这些条件的机率不高,因此天然钻石产量很少,价格昂贵,且价格长期以来操纵在 De Beers 等几家外国珠宝商手中。

早期如果要以人造方式生产钻石,大多使用「高温高压法」(HTHP,High Temperature High Pressure),在容器内对石墨施加高温高压,使碳原子排列成钻石结构结晶,但在容器内无法模拟大自然的高温高压,因此长出来的人造钻石颗粒小、品质差,无法于工业与军事应用。

近年来美国卡内基科学研究院毛河光教授带领的研究团队,成功使用「微波电浆化学气相沉积法」(MPCVD,Microwave Plasma Chemical Vapor Deposition)成长钻石,如图二所示,使用「钻石晶种」(Diamond seed),也就是一小片钻石当「基板」(Substrate),将高纯度甲烷(CH4)通入反应器,经由高能量的「微波」(Microwave)打断甲烷的碳氢键,产生带正电的碳离子与氢离子形成「甲烷电浆」(Methane plasma),碳离子慢慢沉积在钻石晶种表面,以钻石晶种为「排头」,依照钻石结构整齐排列堆积,最后长成一颗完美的钻石。用这种技术一个月就可长出「一盘」每颗 1 克拉的钻石,且可在成长过程掺杂不同气体原子,形成不同颜色的「彩钻」,成本约是目前天然钻石的 50% 以下,让工业与军事应用成为可能。

 台湾人造钻石生产厂商:阿里山钻石。

从华为疑窃取钻石玻璃技术,谈什幺是钻石玻璃

 图二:微波电浆化学气相沉积法系统示意图。

【延伸阅读】关于微波电浆化学气相沉积法,可参考知识力专家社群。「真钻」的定义将被重新改写

天然钻石厂商如 De Beers 等公司,总是宣传只有天然的钻石才算「真钻」,人造钻石都是「假钻」。实际上以科学角度,钻石就是「碳的钻石结构结晶」,不论地底挖出来的,或是实验室长出来的,只要是碳的钻石结构结晶就是「真钻」。且矿场挖出来的钻石一定会有缺陷,使用 MPCVD 长成的钻石则完美无瑕,一般钻石鉴定师用传统方法完全分辨不出来,必须使用科学仪器,如拉曼光谱仪才能分辨。

有趣的是,目前最常用的分辨方式是「有缺陷」的是天然钻石,「完美无瑕」的是人造钻石,让人有点错乱,到底哪个比较有价值?因此,我们不应该再说人工成长的钻石是「假钻」,而应该说地底挖出来的是「天然真钻」,实验室成长的是「人造真钻」才对。

钻石玻璃技术

我们平常烧开水用的瓦斯主要成分就是甲烷,甲烷可由生物粪便产生,才会有人说:毛河光让牛粪变钻石,珠宝界震惊。因此 MPCVD 长成钻石的成本没有想像高,主要消耗的是电力,不过重点在必须使用钻石晶种才能长出钻石。阿汗半导体公司是将钻石长在玻璃上,因此称为「钻石玻璃」,由于使用玻璃为基板要长出碳的钻石结构结晶有困难,可能的方法是使用「缓冲层」技术。

【延伸阅读】关于缓冲层(Buffer layer)技术,可参考知识力专家社群。

就算钻石玻璃真能做出来,成本约是目前天然钻石的 50% 以下仍算太贵,不太可能拿来做手机面板的玻璃。因此阿汗半导体公司比较可能是在玻璃表面长出碳原子排列接近钻石结构的「类钻石」,这种类钻石虽然比玻璃硬,但要达到比目前业界标準的「大猩猩玻璃」萤幕薄 800 倍、强度大 6 倍,耐刮性强 10 倍,恐怕有待考验!

材料性质测试很难「不破坏样本」

有媒体报导称,阿汗半导体同意提供两个米拉吉玻璃样本给华为加州圣地牙哥的办公室,华为则承诺收到后 60 天内返还所有样本,且任何测试不得破坏样本。

但材料的性质测试很难「不破坏样本」,除了使用各种光谱仪测试钻石玻璃的光学性质、钻石特性与厚度等,这些不会破坏样本,最重要的还是有没有「号称」的硬度,所谓硬度就是材料可抵抗更硬的物体压入表面的能力,目前常用的洛氏硬度试验(Rockwell)或维氏硬度试验(Vickers)等方法,都必须使用钻石圆锥压入材料表面,再量测压痕的尺寸来决定硬度,这样必定会破坏样本,更不用说所谓的「耐刮度强」,一定是要拿来刮刮看才知道啊!

阿汗半导体宣称这种材料硬度高又耐刮,却要求「任何测试不得破坏样本」,这种说法有点奇怪,不破坏样本如何确定到底有多硬多耐刮?当然如果要研究阿汗半导体公司到底使用什幺材料为缓冲层,就必须用雷射切开,从侧面进行材料分析,这个或许是阿汗半导体担心的事,不过这也无法预防,因为将来这支手机卖出去以后,任何人买一支来都可拆开分析材料。因钻石玻璃样本被破坏,就说华为涉盗钻石玻璃机密,这种说法有点勉强,缓冲层并不是知道材料种类就可做出来,还必须猜测成长方法,这要花一些时间,并没有想像容易。

钻石玻璃或蓝宝石做手机面板难度高

2014 年苹果因 iPhone 6 可能採用蓝宝石萤幕的传言闹得沸沸扬扬,后来因为成本太高、量产困难、硬度不如预期而放弃,现在又有厂商提出钻石玻璃,听起来更酷更炫了!不过这种东西是不是真能做到低成本、高良率、高硬度,如同厂商宣称那样,就有待市场考验啰。

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