从实验室到产业:朱嘉琦教授及团队的金刚石创新之路


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[导读]朱嘉琦教授及红外薄膜与晶体团队

www.188betkr.com 讯朱嘉琦,哈尔滨工业大学航天学院教授、博士生导师,国家级高端人才。长期从事晶体及薄膜等研究,担任中国机械工程学会表面工程分会副主任,中国材料研究学会极端材料与器件分会副主任,中国仪表材料学会副理事长,Functional Diamond、Advanced Materials&Devices副主编,获得中国青年科技奖、省青年五四奖章等荣誉,获国家技术发明奖二等奖1项,黑龙江省技术发明一等奖2项。主持国家自然科学基金6项(含重点1项)等科研项目。获授权发明专利82项(转让21项),在SCIENCE,ADVANCED MATERIALS等知名刊物发表200余篇学术论文,出版学术专著2部,译著1部。



图源:哈尔滨工业大学力学中心


研究方向


1.金刚石晶体材料及器件;

2.先进薄膜材料;

3.红外窗口的增透保护技术;

4.新型碳材料;

5.气动热/力失效机理及抗失效方法;


研究团队


朱嘉琦教授负责的红外薄膜与晶体团队孵化于哈工大特种环境复合材料技术国家级重点实验室。团队以国家重点需求为研究导向,长期围绕功能光电薄膜及晶体、金刚石生长及应用等技术领域开展研究工作,相关研究成果处国际前列国内领先水平,团队承担国家重点研发计划、金刚石相关专利50项,周边专利近百项,金刚石相关装备、材料及应用技术获国家技术发明奖二等奖2项,中国专利金奖等荣誉。


技术团队由多位宇航、材料、力学、能源等交叉专业博士人才组成,依托于哈工大雄厚的学科优势和地方产业支持,引培并举,公司在科技创新方面汇聚了一支知识结构合理、学科门类齐全的高科技创新人才队伍。哈工大和郑州研究院丰富的技术储备和持续的技术开发保障了可持续发展。


在金刚石领域的研究


近年培育钻石行业迎来爆发,金刚石材料产业进入大众视野。哈尔滨工业大学韩杰才院士提出金刚石装备国产化、产业化发展要求后,红外薄膜与晶体团队耕耘十余载,在攻克了国产化微波等离子体化学气相沉积装备、大尺寸高导热金刚石生长工艺以及金刚石在高端应用领域的多项难题后,建立了包含装备、工艺、应用三大板块百余项专利组成的专利群,同时把控专利质量,实现了多分支自主可控。


图源:哈尔滨工业大学复合材料与结构研究所


(一)金刚石晶体生长装备及工艺


制备设备是晶体生长的基础,而金刚石生长装备却被国外“瓦森纳协定”封锁,课题组从零开始,完成了微波源适配、腔体设计优化、系统集成等工作,实现大面积高密度均匀自持微波等离子体稳定激发,研制出功率频率稳定、能量密度高、长时可靠运行等金刚石晶体微波CVD装备。实现了自研生长装备从无到有的发展,填补了国内空白,通过新产品鉴定,部分指标达国际领先,对我国人造金刚石产业升级及下一代半导体领域实现弯道超车有着重要作用。


同时建立了匹配设备的金刚石生长工艺体系,实现金刚石籽晶缺陷原位修复,发明功率-气压-温度耦合调控强化沉积等离子体的方法,提出大尺寸金刚石同质连接控温及三维模板单晶有序结构合成的方法。采用自研设备配套晶体生长工艺,获得超高热导率高品质大厚度金刚石单晶,热导率突破2400W/m·K,协同实现了金刚石高品质及高速率两个关键要素。其中核心专利“一种同质外延生长单晶金刚石的籽晶衬底真空钎焊方法”解决了金刚石生长过程中的行业共性难题,降低成本,推进了金刚石产业化进程。


(二)金刚石的功能化应用


在应用方面,项目组解决了限制金刚石材料在应用过程中的诸多难题,例如,实现了第三代半导体材料与金刚石的有效结合;在氮化镓器件表面低温原位合成大面积连续均匀高导热金刚石钝化层;发明了大面积粗糙界面的低温高强低热阻键合技术,实现了器件到组件级跨尺度的快速连接方法,通过了温循、高低温和热阻等应用验证,为金刚石晶圆级散热应用奠定基础。


同时,作为“终极半导体”,在金刚石器件方面,团队提出了多种新理论及方法,优化了金刚石界面载流子传输能带,获得了金刚石雪崩探测器、高开路电压同位素电池器件、高信噪比自供能式日盲紫外探测器、金刚石肖特基与门原型逻辑电路等高性能器件,具有三代半导体不具备的抗辐照与高稳定性,其中雪崩探测阵列通过了合作单位的应用验证测试,为金刚石器件在深空探测,高超声速预警等方面的应用奠定了基础。


产业化发展


为推动河南省超硬材料重点产业强链增效,哈工大郑州研究院积极助推项目团队金刚石材料相关技术及专利在豫转化,协助团队对接政府相关单位、匹配产业龙头企业资源、引入产业基金、协调落地政策等,成功将团队产业化公司“碳真芯材”落地郑州。


碳真芯材承担了多项国家级重点工程项目,技术实力雄厚。公司专注于金刚石及其复合材料的功能化应用,产品应用于半导体及电子器件散热、超精密加工、光学窗口、粒子探测器等行业,覆盖国内多个省区。


915MHz金刚石成长系统及金刚石器件,图源:哈工大郑州研究院


金刚石金属复合材料,图源:哈工大郑州研究院


在2025年中国科学院院士增选有效候选人名单中,朱嘉琦教授在列。此次朱嘉琦教授入选中国科学院院士增选有效候选人,不仅是对他个人科研成就的高度认可,更是对其团队长期以来在材料科学领域辛勤耕耘、开拓创新的充分肯定。期待在未来,朱嘉琦教授能继续带领团队在科研道路上砥砺前行,为我国乃至全球的材料科学发展贡献更多力量,为科研事业树立新的标杆。


参考来源:哈尔滨工业大学、红外薄膜与晶体、哈尔滨工业大学郑州研究院


(www.188betkr.com 编辑整理/石语)

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