由香港大学（HKU）工程学院机械工程系卢扬教授与北京科技大学（USTB）先进材料与技术研究所李成明教授联合领衔的研究团队，成功制备出直径 5 英寸、厚度 3 毫米、维氏硬度超过 200 GPa 的自由立式超硬金刚石晶片。

这一成果首次在英寸级尺寸上实现了金刚石材料与超高硬度的同时突破，为可规模化制备的超硬金刚石在精密加工、半导体技术以及航空航天工程等高要求应用领域的拓展奠定了关键基础。

相关研究发表于《自然通讯》（Nature Communications），论文题为《通过高频脉冲局部非平衡生长制备 200 GPa 硬度的英寸级超硬金刚石晶片》。

金刚石因具备极高的热导率、优异的击穿电场、出色的抗辐射能力和机械强度，被普遍视为“终极半导体材料”，其综合性能远超传统半导体材料如硅和碳化硅。然而，受制于传统高压高温（HPHT）工艺，如何在无粘结剂条件下可扩展制备英寸级超硬金刚石，一直是该领域长期存在的核心难题。

为突破这一瓶颈，港大与北科大团队搭建了一套定制的微波等离子体增强化学气相沉积（MPCVD）系统，并提出高频脉冲氮掺杂的新策略，在金刚石沉积过程中构建快速切换的局部非平衡生长环境。通过精确调控等离子体化学组成和生长参数，研究人员最终获得了直径 5 英寸的自由立式金刚石晶片。

在生长过程中，高频脉冲方式引入氮源，使等离子体中活性物种的组成以及生长温度在极短时间内快速波动，打破了传统稳定生长模式的限制。这种动态调控机制显著强化了表面重构和缺陷调控能力，并有效促进特定微观结构的形成。

机械性能测试表明，该金刚石晶片的维氏硬度最高达到 208.3 GPa，约为常规金刚石的两倍。超硬金刚石晶片展现出极佳的耐磨性和结构稳定性，其耐磨性能约为常用多晶金刚石基底的 7 倍，并且能够在高品质单晶金刚石表面刻划出清晰划痕，进一步验证了其卓越的加工能力。此外，这一脉冲氮掺杂生长策略也适用于在常见三维工具表面进行金刚石沉积。

高分辨率透射电子显微镜分析揭示了材料超高硬度的微观来源：晶片内部形成了高密度的三维互锁堆垛层错网络，其密度高达 4.3 × 10¹² cm⁻²，有效阻碍了位错运动。电子能量损失谱结合第一性原理计算结果显示，氮元素的掺入显著降低了堆垛层错的形成能，从而促进这类结构在生长过程中的稳定生成。

英寸级超硬金刚石晶片的制备成功，为金刚石在极端环境电子学、先进制造以及半导体热管理等方向带来了新的发展机遇。随着超宽禁带半导体技术的加速演进，金刚石晶片有望在微机电系统（MEMS）、高功率高频芯片散热、极端环境传感以及先进封装等领域发挥愈发重要的作用。

卢扬教授表示，未来通过可控调制金刚石的微观结构与能带结构，将成为实现新一代金刚石基微电子与光电子器件的关键路径。依托本研究中获得的超高硬度和优异机械稳定性，这类超硬金刚石晶片有望成为金刚石微机电系统和纳米结构器件的理想平台，进一步推动应变工程金刚石器件的产业化进程。