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本译文最后更新于11月1日，谢绝转载。

1. 概述
过去几个世纪以来，金刚石因其卓越的物理化学特性而被用于开发各种高级应用。直至最近，尽管每年被利用的金刚石数以吨计，其应用基本上局限在宝石和磨料方面。不过，随着单晶以及多晶CVD金刚石的早期商业化供应，将大尺寸、高质量金刚石应用在各种高科技领域正在发展成为现实。

利用化学气相沉积（CVD）工艺来生长高品级单晶金刚石，这一进展使金刚石合成突破了传统意义上人工高温高压合成以及天然金刚石生长的限制，且人工生长的纯净金刚石可能在量子计算、发电、分子成像甚至于纳米金刚石机器人领域获得应用。

2. CVD：金刚石市场增长的一个新阶段
CVD金刚石代表着全球金刚石业发展的第三个阶段——这也可能是增长最高的阶段。第一阶段发生在上世纪初期，Cecil Rhodes通过购买钻矿来控制钻石在市场上的流量，由此金刚石业务走向国际化，金刚石产品也建立了标准体系。上世纪五十年代，采用高温高压技术实现了人造金刚石的从无到有，金刚石业也由此发展到第二个阶段。与天然金刚石相比，高温高压人造金刚石在产品稳定性及成本方面具有优势，因此推动了金刚石在各领域的发展。今天，高温高压人造金刚石已发展成为全球金刚石业的基础，并在全球工业中发挥重要作用。当前，每年通过该工艺合成的人造金刚石达数十亿克拉之众。

CVD金刚石代表着金刚石业发展中第三阶段（也是最近的阶段）的开始。CVD金刚石的早期实验开始于上世纪70年代，不过这一优秀材料直至近期才真正实现商业化供应。鉴于其正处于第三阶段的初期，金刚石必将是一种颇具发展前景并且发展最为持久的材料。它将像硅、钢材以及混凝土等工业基础材料那样无处不在并发挥重要作用。在今后50-100年间，金刚石市场将呈指数增长，金刚石也将被广泛应用到我们生活中的方方面面。

CVD意指化学气相沉积，通过该工艺可以将一些气体组分在基体上沉积生长为较大尺寸的金刚石材料或者晶体。CVD金刚石其他一些有趣特点在于它的性质可根据需要进行调节，比如可以让材料带有或者不含杂质，另外还可以改变晶体结构。目前已经可以实现生长各种形状的单晶以及多晶结构CVD金刚石。

CVD金刚石性质的可调节性以及金刚石材料的大尺寸生长是化学气相沉积生长技术的主要优势。该工艺特性使金刚石材料在此前受限于晶体尺寸、缺陷以及稳定性的其他工业领域内颇有吸引力。

目前，使用化学气相沉积技术来生长金刚石晶体尚未发展成熟，不过它已步入到商业化供应阶段，而且CVD金刚石晶体的生产正在快速发展。当前，传统领域（诸如切削刀具以及宝石方面）对金刚石的需求超过全球CVD金刚石的产能，且这一需求在未来依然呈现强势的爆炸性增长。化学气相沉积技术还使得金刚石材料在此前无法实现的一些高端应用方面大显身手。近期CVD金刚石应用研究的突破性进展沿袭了此前硅材料的增长模式，并已在包括量子计算以及太阳能面板在内的下一代技术应用中看见曙光。在今后25年，金刚石材料将发展到无处不在的地步。

3. CVD工艺和材料
化学气相沉积技术的一个特定领域便是生长单晶金刚石——它与从地壳中开采出来的钻石珠宝别无二致。通过这一工艺生长出的单晶金刚石质量异常出色，可应用在先进的电子及光学领域。然而，仅当金刚石材料的尺寸及晶体性质稳定一致时，单晶金刚石的卓越性质才能在这些领域获得应用。这一需求使得CVD金刚石生长技术成为实现金刚石材料高端应用的理想手段。

设备和工艺
金刚石生长设备不仅价格昂贵，并且高度专业化，其标准组件包括真空室、基体（为金刚石生长提供支撑）以及热源装置（提供超高温度）。在某些实验室以及制造部门，还往往需要一些激光切割和金刚石抛光设备，用于金刚石生长的前期或后期处理。相同配置的CVD金刚石生长设备既可用于生长多晶（纳米及超纳米尺度）金刚石，也可用来生长金刚石单晶。

当这一工艺被用来生长单晶金刚石材料时，所需投入的材料包括气态碳氢化合物以及金刚石晶种。在这里所用的晶种是一薄层单晶金刚石。对于所有的单晶金刚石生长来说，晶种都是生长初期所必要的。

当气体被输送到真空室，并被加热到大约是太阳外围区域的温度时，气态烃开始分解，碳原子也因此开始在金刚石晶种上面沉积生长。通过调节生长工艺，金刚石形状以及晶体特性可以在一定程度上实现人为调整。这一点很重要，因为你可以操控化学气相沉积工艺，且能够为了实现特定的应用而赋予金刚石材料某些特定的性质。为了进一步调整金刚石的性质，可在沉积过程中有选择性地控制添加含有硼、氮或磷等元素的气体。

生长和加工
CVD金刚石可根据需要生长为薄层或者大块材料，材料可以是纯净的金刚石或掺杂其他元素。这些特征或层界可人为地在金刚石材料中选择性产生或者释放应力，或者为实现某些特定需要而创建特殊的样式。

这些生长出的CVD金刚石材料可利用传统的半导体处理技术进行进一步的后期加工。加工工艺不仅包括更为传统的激光切割和抛光技术，还包括先进的蚀刻、注入以及光刻等技术。早期用于半导体领域的许多加工技术可以直接用于加工金刚石材料。（全文篇幅较长，将分作两节分别编译。预计第二节将在11月6日更新。）