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       2023年12月16日，「郑创汇」国际创新创业大赛年终总决赛，佳睿福钻石（河南）有限公司创始人冯参军带着他的“钻石芯片触媒技术”获得二等奖。

在业内，冯参军因其触媒技术推动培育钻石的诞生，被称为“培育白钻第一人”。这一次，他的钻石芯片计划，又将如何推动金刚石向终级半导体材料的演进？

       金刚石溯源，碳的催化之旅

       培育钻石，就是首饰级的金刚石。

       而谈到金刚石，广为人知的是其作为超硬材料，被称为工业的牙齿，在磨具磨料领域没它不可。

       时间回溯到1952年，美国科学家威廉·艾弗索，首次用化学气相沉积法（CVD）研制出人工合成金刚石。1954年，美国通用电气的霍尔博士团队，用高温高压法（HPHT）成功研制出合成金刚石。

       上世纪50年代，中国集中发展重工业，机械制造、石油化工、冶金、开采等领域都要用到金刚石。但是，新中国成立之初，工业发展相对落后，金刚石无法实现自给。

       公开报道显示，面对人造金刚石技术被国外“卡脖子”，1960年，郑州三磨所承担了这项光荣任务，经过三年科研攻关，成功研发出了中国第一颗人造金刚石，中国自主产权的六面顶压机也随之问世。

       这颗小小的金刚石，从此奠定了河南在全球超硬材料领域的重要地位。后来，技术继续演进，人们从人造金刚石里发现了无色金刚石（俗称白钻），首饰级合成金刚石逐渐走向前台。

       起初，这种人造钻石在市场上是水下交易，直到五年前，美国联邦贸易委员会将实验室培育钻石（Lab-Grown Diamond）纳入钻石大类，培育钻石这个品类也先后被施华洛世奇、戴比尔斯，以及美国最大珠宝零售商Signet、全球最大珠宝商潘多拉接纳，从此培育钻石登堂入室。随着力量钻石等相关概念股上市，这个产业春潮涌动，也剧烈地冲击着天然钻石的市场。

       培育钻石主要市场在美国，而主要原材料上市公司都在河南，包括黄河旋风、中南钻石、力量钻石等。

       推进这一品类进化的核心技术，除了六面顶压机，还有很少被公开传播的触媒配方工艺技术。

       冯参军将这二者比喻为计算机的硬件和软件，相辅相成。触媒就是催化剂，其配方工艺就像“编程”，一是让碳原子按金刚石的硬度、大小、碳原子排列方向等参数生长，二是通过化学反应改变金刚石的颜色。

       钻石触媒，造物者的驯化术

       六面顶压机的工作原理，是模拟地壳运动，将数万吨的压力、上千度的高温，聚焦在不到10厘米的立方体材料上，让它在很短的时间内模拟大自然亿万斯年的变化，这是一种怎样的造物运动？材料专家在触媒领域进行了大量探索。

       公开报道显示，2001年，中南钻石突破金刚石生产的关键核心技术——粉末触媒合成技术，结束了传统金刚石40多年片状触媒生产的历史，使中国的金刚石制造技术首次与国际同步，成为领跑国际超硬材料技术创新的重要里程碑。

       当年，冯参军还在中国矿业大学读书。2003年，冯参军来到北京某金属研究院工作，参与了金刚石粉状触媒配方工艺的研究实验，从此扎根金刚石触媒研究，一干就是二十年。

在研究院期间，冯参军从黄色人造金刚石中偶然发现了晶莹的“白钻”，这让他特别兴奋。只可惜，这种金刚石不符合磨具磨料的指标，冯参军的触媒新配方被厂家退了回来。

       2008年，原焦作大三元粉末材料有限公司引进人才，冯参军进入了这家触媒销售研发企业，成为总工。

       也就是在焦作工作期间，冯参军决定继续发展触媒技术，一是通过触媒的改进让金刚石长到克拉级，二是让它变得更白（无色），颜色与净度与天然钻石媲美，甚至长成彩色钻石。

当时大单晶技术被英国垄断，“白钻”还没有市场。冯参军在与河南理工大学开展产学研期间，通过电子图书馆，查阅大量国内外文献，一举攻克了制造大单晶的触媒配方工艺。

他所在的企业在短短两年时间内，供应了全国90%工业金刚石的触媒。但是，2010年，公司发生变故被收购。冯参军不想放弃触媒技术的进化，“我从银行贷款，自掏腰包，租了8台设备，在郑州偏远的古荥镇自己搞了个实验室。”

       “这种白钻不太符合磨料磨具的参数，我也被认为不务正业。今天，时间拉长了看，我当初的努力并没有白费。”

       “天然钻石都是无色的，我们发现，氮是让钻石变黄的元素，如果氮没有了，钻石就会变成无色。”用什么材料去吸氮？冯参军先后用了二十几种材料，做了大半年研究。

       冯参军终于研发出了第一代白钻技术，做出了 1～2毫米的“小白钻”。他继续精进2.0技术，将小白钻做大了3～5毫米。3.0技术，白钻已经是1克拉以上。

       2012年开始，冯参军可以批量生产白钻。他带着自己的小白钻到深圳和义乌找销路，当时市场上称这种钻石为“假钻”、“人造钻石”。一次偶然的机会，冯参军跟一位印度客商达成合作，“这是中国第一笔培育钻石的外贸生意”，印度是全球主要的钻石切割市场，他们春江水暖鸭先知。

       白钻在消费端不胫而走。2016年，郑州的一家金刚石生产企业花2000万，将冯参军所在企业的技术团队并入，成了河南首家白钻的研发生产和销售企业。唯独冯参军选择了独立发展。今天，全球培育钻石看中国，中国培育钻石看河南。以冯参军为首的老东家，无疑是河南培育钻石技术的“黄埔军校”，冯参军说，“这个圈子不大，中国培育钻石的触媒配方工艺都是一脉相承的。”

       2022年，冯参军继续精进，实现了4.0技术突破，将片状触媒改成粉状，将传统晶种法（温差法）转化成自发成核法，结束了片状触媒合成培育钻石的历史，成为行业技术演进的里程碑。这距2001年中南钻石结束工业钻石片状触媒的时间过去了21年。

       自发成核法生成的培育钻石，像石榴籽一样密密麻麻，晶莹剔透。

       据统计，用粉状触媒工艺，2小时能产100克拉3毫米白钻（560机型），颜色级别达到DEF色，净度达到VVS-SI级别。据对比，片状触媒24小时20克拉（560机型），“目前，市面上使用的是第三代片状触媒技术，国外也没有粉状技术的突破。”

       吴柏麟教授是原武汉理工大学国家重点实验室主任，主要从事单晶生长及工艺研究，他针对冯参军提供的粉末触媒技术与培育钻石触媒技术样品进行了生长实验鉴定。他说，冯参军所提供的粉末触媒技术的成分、结构、质量方面超越欧美相关技术产品。同时，在培育钻石触媒技术分析中，吴伯麟说，冯参军发现其四种不同规格合成块的成分、结构，与乌克兰、俄罗斯的先进技术触媒成分相似，并且其生长周期从7-8天缩短为4-5天，产品合格率达到90%以上，与国内同行同类产品相比，产能提高了40%-50%。

       到今天，冯参军一直给市面上的上市公司供应培育钻石触媒，市场份额居行业之首。

       钻石芯片，中美方案商业化角逐

       河南作为超硬材料源头省份，十分重视超硬材料产业的发展，河南省委书记楼阳生亲自担任该产业链链长，近日，楼阳生主持召开超硬材料高质量发展座谈会，他指出，“抢占前沿赛道，努力走向中高端，成为关键环，瞄准金刚石半导材料、电声热功能性应用等前沿领域。”

       合成金刚石经历了从传统磨料到首饰级金刚石的演进，完成了从工业到消费级市场的渗透，需求端景气度持续向上。接下来如何继续向中高端跃迁？答案已经浮出水面，就是功能性金刚石。

       功能性金刚石之所以功能强大，是因为它拥有高热导率、宽禁带、高载流子迁移率、高绝缘性、极佳的光学透过性、化学稳定性与抗辐射性等，超过目前地球上的一切半导体材料，也因此被称为“终极半导体”。

       功能性金刚石在工业级、热学级、光学级、电子级应用潜力巨大，为解决国防军工、航空航天、半导体芯片、激光、红外传感等国家重大关键领域中的卡脖子难题提供终极材料。中国地质大学材料与化学学院教授、博士生导师何涌说：“金刚石的散热功能，并不是谁的新近发现，教科书里都写了，在军工、航天等领域都有应用，只是成本太高，难以大规模商用。”

       生产晶圆大小的单晶钻石一直是难以实现的技术圣杯。今年，美国的Diamond Foundry Inc用CVD法制造出了世界上第一块直径为100 毫米的单晶金刚石晶圆。然而培育周期长，成本太高，离商用遥遥无期。

       怎么办？

       冯参军说，我们延续HTHP高温高压法中国方案，生产出可以用于半导体散热材料的单晶金刚石。单晶金刚石分很多类别，其中技术要求最高的是高功率单晶金刚石，不仅要求单晶长成方形，还要求厚度控制在0.2毫米左右，热导系数为1200-2200 W/MK；与此同时，要控制好碳原子的生方长向，只有这个做好了，才可以实现单晶的拼接键合，从而可以把晶圆做得无限大。

       这还不够，降低成本才是商业化的基础，冯参军的快速自发成核粉状触媒工艺，恰恰为成本的突破打下了基础。“我们把金刚石单晶的价格给打下来了，每克拉只需要几十元。”

冯参军的相关发明专利已经授权，并与全球光纤光缆领域龙头上市企业长飞光纤光缆股份有限公司完成了应用测试，签订了联合开发与供应合同。

       12月26日下午，郑州市科技局生产力促进中心组织专家进行科技成果评价，认定冯参军的半导体散热用金刚石可控制备技术达到国内先进水平，突破了金刚石快速生长、拼接技术、触媒技术，实现了金刚石晶体定向生长。王秦生等行业专家给与了一致好评，认可其牵手长飞光纤等单位可批量使用的经济社会效益。

       无独有偶，今年10月，媒体爆出华为与哈尔滨工业大学联合申请“钻石芯片”专利的消息，金刚石铜键合技术用于芯片散热。大厂的介入，宣布金刚石应用进入了终极半导体时代，有如当年戴比尔斯承认培育钻石的效应。

       12月，冯参军与郑州高新城市开发建设集团有限公司联合投资，成立高芯（河南）半导体材料有限公司，首期计划投资10亿元，做大终极半导体材料的产能。

       冯参军计划，现阶段推动金刚石单晶用于散热应用，后续将继续推动钻石材料在半导体行业的商业化应用，如用于制造晶体管或其他半导体元件的基底材料。

       据长飞光纤材料事业部散热子产品线总经理白华博士预估，金刚石铜热沉方案将取代钨铜散热，初步预估市场需求量为40吨，未来几年，将持续高速增长。

       走过金刚石触媒研发的二十余年，冯参军开启了其金刚石事业的第二曲线，力推金刚石芯片散热中国方案，冯参军判断，“2024年，有望成为金刚石作为终极半导体材料的商业化元年。”