钻石也能发电？压电金刚石薄膜问世，颠覆认知！

近日，在瑞士日内瓦举行的第51届国际发明展上，DiamNEX公司创始人褚智勤教授领衔的科研团队凭借“压电金刚石薄膜(Piezoelectric Diamond Membranes)”项目斩获金奖。继2024年凭借“边缘暴露剥离法量产金刚石薄膜”技术荣膺日内瓦国际发明展金奖并登上《Nature》［1］后，由香港大学领衔、DiamNEX公司深度参与的研发团队再次实现重大突破，该研究首次证实多晶金刚石薄膜具备显著的压电效应，直接颠覆了过去一百多年来“金刚石非压电材料”的传统学术认知。

该项目文章“Uncovering piezoelectric effect in polycrystalline diamond membranes”的相关研究成果已发表在《Science Advances》期刊［2］。

钻石也能发电？

原本坚硬无比的金刚石，在团队首创的“薄膜剥离技术”处理下，化身为超薄、柔性的多晶薄膜，甚至能够发生明显弯曲。奇妙的是，实验表明，当这种薄膜受到机械挤压或弯曲时，两侧竟能产生稳定的电压信号。这一新发现为金刚石材料的功能化开发推开了一扇全新的大门。

发电奥秘：藏在晶粒边界的“不对称”

研究揭示，这种打破常规的压电效应，源于薄膜内部晶界结构的不对称性。当薄膜受力弯曲，晶界处会产生电荷极化，形成电势差，从而完美实现“机械能向电能”的直接转换。这一发现意味着，金刚石有望以“新星”之姿，正式加入压电材料家族。

开拓功能化金刚石新赛道

长效医疗自供电：凭借金刚石天然的生物相容性、极强的稳定性和无毒的特点，压电金刚石未来有望应用于心脏起搏器、体内生理传感器等植入式医疗器械，利用人体运动持续发电，让患者告别“开刀换电池”的痛苦。

颠覆压电器件：金刚石的高导热、高声速特性使其在声波滤波器、换能器及声学领域已经出现了很多应用性探索，压电金刚石的发现将会对这些领域带来颠覆变革，切实推进功能化金刚石材料的落地应用。

从金刚石薄膜量产技术的突破，到压电效应的科学发现；从实验室的严谨验证，到产业落地的清晰路径，DiamNEX始终以前沿创新驱动材料革命。这项成果不仅打破百年材料科学认知，更为高性能微纳器件、新一代通信、极端环境装备与生命健康医疗，打开了前所未有的想象空间。金刚石的传奇，正以全新的方式续写；而属于智能功能材料的未来，已在我们手中启程。

经典回顾「边缘暴露剥离法」，重构金刚石薄膜制备逻辑

钻耐科思 DiamNex 原创的「边缘暴露剥离法」，跳出传统制备思路，直接在硅衬底上生长金刚石薄片，仅需在成型的金刚石衬底边缘开设切口，便可沿切口完成金刚石薄膜的机械剥离。该技术充分利用金刚石生长面自带的超高平整度，一步成型即可获得能直接兼容现有半导体工艺的金刚石薄膜。

这种方法能够大量制备大面积（2英寸晶圆）、超薄（亚微米厚度）、超平整（表面粗糙度低于纳米）、超柔性（可360°弯曲）的金刚石薄膜，有可能加快金刚石材料在电子学、光子学等相关领域的商业化应用。

（1）一步剥离金刚石薄膜

通过微波等离子体CVD方法在Si基底生长薄层金刚石薄膜。通过控制生长时间，能够获得厚度不同的金刚石薄膜。首先用划线笔在硅片的背面刻画边缘，因此将金刚石-基底的界面暴露。这个暴露的边缘对于剥离完整的大面积金刚石薄膜非常重要。将透明的胶带贴在薄膜的顶部，并且沿着切割边缘拉伸，能够剥离得到厚度1 μm的完整2英寸金刚石薄膜。

图1. 剥离晶圆尺寸金刚石薄膜

（2）薄膜的优异性质

测试剥离金刚石薄膜的性质。通过一系列表征测试剥离金刚石薄膜，在薄膜的顶部和底部进行Raman测试，都发现1332cm-1对应于金刚石特征峰。新制样品具有1500-1600cm-1部分峰，表明存在部分非金刚石的sp2碳，通过XPS同样验证这些非金刚石sp2碳。XRD表征多晶金刚石薄膜的晶面是（111）。在450nm的折射率为2.36，薄膜具有较大的电阻（1010 Ω），较高的导热性（1300W m-1 K-1），这些数值达到金刚石单晶样品的数值。而且金刚石薄膜比块体金刚石的硬度和杨氏模量明显降低，这是因为厚度降低导致的。

图2. 剥离金刚石薄膜的详细表征

（3）超平整性

在完成金刚石薄膜性能研究的基础上，本工作进一步针对表面形貌这一鲜有报道的方向开展系统探索。对厚度 1 μm 的金刚石薄膜进行高分辨率 SEM 表征发现，新制样品表面展现出优异的平整性；通过截面表征进一步观察到，金刚石晶粒尺寸会沿生长方向逐步增大，这一规律在不同厚度的金刚石薄膜中均普遍存在。

图3. 机械剥离金刚石薄膜的超平整性

（4）超柔性薄膜

金刚石虽然是自然界中的硬度最高的材料，但是降低厚度后，由于表观杨氏模量的降低，因此能够形成柔性金刚石薄膜。此外，丰富的晶界和多晶内的位错结构有助于通过变形下的晶界和位错滑动来允许更多的应变。得到的剥离金刚石薄膜具有优异的柔性：4μm厚度的样品能够弯折360°，而且能够弯折成半径为10mm~2mm范围内的圆柱体。将厚度为1μm的金刚石薄膜装到柔性PDMS基底上，测试不同压缩应力和拉伸应力下的导电性。

图4. 柔性金刚石薄膜用于可穿戴电子学器件

（5）边缘剥离制备金刚石薄膜的重复性

为了研究剥离参数和剥离金刚石薄膜性质之间的关系，搭建了自制装置能够以一致可重复方式剥离完整且无裂纹的金刚石薄膜。使用通用的试验器（ElectroPuls E3000）控制剥离速度、调节剥离角度。在恒定的剥离速度（10mm min-1），分别测试不同剥离角度（20°-90°）和不同厚度的薄膜进行剥离处理，确定最佳剥离参数。

测试最佳的参数是，对于厚度较厚的薄膜（800nm和1000nm），在比较宽的角度剥离（20°-90°）能够得到没有裂纹的金刚石薄膜。当膜的厚度减少为600nm，不产生裂纹的剥离角度减少至40°-70°。对于厚度更低的薄膜，不产生裂纹的剥离角度进一步减小。进一步的，作者通过COMSOL多体物理有限元方法模拟剥离过程，给出了剥离参数对薄膜品质的影响。

图5. 影响剥离金刚石薄膜品质的各种因素

个人简介

褚智勤博士，副教授，香港大学钻石实验室主任，DiamNEX有限公司创始人兼首席科学家

褚智勤、褚士分别于2008年7月和2012年7月在中国西北大学和香港中文大学获得物理学学士和博士学位。在同组担任博士后研究员一年后，他在德国斯图加特大学从事博士后研究（2014/04-2016/09）。自2018年11月起，他担任香港大学电气及电子工程学系助理教授（与生物医学科学学院联合聘任）。褚博士及其团队曾获得多个奖项，包括2024年日内瓦国际发明展金奖；2023年加拿大国际发明创新大赛（iCAN）金奖；2023年iCAN十大最佳发明奖；2022年日内瓦发明评估日银奖。他已申请了 3 项 PCT、5 项美国非临时专利和 6 项 CN 钻石技术专利。他目前的研究兴趣包括金刚石半导体和金刚石量子传感。

来源：未来产链

*声明：本文由作者原创。文章内容系作者个人观点，宽禁带半导体技术创新联盟转载仅为了传达一种不同的观点，不代表本联盟对该观点赞同或支持，如果有任何异议，欢迎联系我们。