来自香港大学与北京科技大学的研究团队，成功制造出直径5英寸、厚度3毫米、维氏硬度超过200 GPa的自支撑超硬金刚石晶圆，为精密加工和半导体技术等领域提供了新的材料基础。

该研究由香港大学杨璐教授和北京科技大学李程明教授领导，首次在金刚石材料中同时实现英寸级尺寸和超高硬度。研究成果已发表在《自然通讯》期刊上，标题为“通过高频脉冲局部非平衡生长实现200 GPa硬度的英寸级超硬金刚石晶圆”。

金刚石因其优异的导热性、抗辐射性和机械强度，被视为理想半导体材料，性能超越硅和碳化硅等传统选项。然而，传统高压高温方法难以制造英寸级无粘合剂超硬金刚石，成为技术瓶颈。

团队开发了定制微波等离子体增强化学气相沉积系统，采用高频脉冲氮掺杂策略，创建了局部非平衡生长环境。通过精确控制生长条件，成功制备出5英寸金刚石晶圆。这种动态调控机制增强了表面重构和缺陷控制，促进了特定微结构形成。

机械测试显示，这种金刚石晶圆的维氏硬度达208.3 GPa，约为传统金刚石的两倍。其耐磨性比多晶金刚石基底高出约七倍，并能在单晶金刚石表面产生清晰划痕，证明其加工能力。脉冲氮掺杂策略还允许在三维工具表面进行沉积。

高分辨率透射电子显微镜分析表明，金刚石晶圆含有高密度三维互锁堆垛层错网络，密度达4.3 × 10¹² cm⁻²，有效抑制位错运动。电子能量损失谱和计算模拟显示，氮掺入降低了堆垛层错形成能，促进其稳定形成。

这项突破为金刚石在极端环境电子学、先进制造和半导体热管理中的应用开辟了新路径。随着超宽带隙半导体技术发展，金刚石晶圆预计将在MEMS、高功率芯片热管理和先进封装中发挥重要作用。

杨璐教授表示：“展望未来，微结构和能带结构的可控调控对实现下一代金刚石微电子和光电器件至关重要。利用其硬度和机械稳定性，本研究开发的超硬金刚石晶圆可作为金刚石MEMS和纳米结构的理想平台，推动应变工程金刚石器件的产业化。”

出版详情：作者：The University of Hong Kong；标题：《Engineers fabricate inch-scale, ultrahard diamond wafers exceeding 200 GPa hardness》；发表于：《Nature Communications》(2025)。