由香港大学机械工程系杨路教授与北京科技大学先进材料与技术研究院李成明教授共同领导的科研团队，成功制备出直径达5英寸、厚度3毫米、维氏硬度超过200GPa的自支撑超硬金刚石晶圆。这一成果标志着全球首次在金刚石材料上同时实现了英寸级尺寸与超高硬度的突破，为精密加工、半导体技术及航空航天工程等领域的大规模应用奠定了坚实基础。
金刚石凭借优异的热导率、超高击穿电场、抗辐射性及机械鲁棒性，被公认为“**半导体材料”，其综合性能远超硅和碳化硅等传统材料。然而，受限于传统高压高温（HPHT）工艺，长期以来英寸级、无粘结剂超硬金刚石的规模化制备一直是行业瓶颈。此次突破将彻底改变这一局面。
研究团队自主研发了定制微波等离子体增强化学气相沉积（MPCVD）系统，并创新性地引入高频脉冲氮掺杂策略。该策略在金刚石沉积过程中构建了快速切换的局域非平衡生长环境，通过**调控等离子体化学与生长条件，成功实现了5英寸自支撑金刚石晶圆的制备。高频脉冲氮源的引入导致等离子体活性组分与生长温度在极短时间内剧烈波动，打破了传统稳定生长模式的限制。这种动态调控机制不仅增强了表面重构与缺陷控制，还有效促进了特定微观结构的形成。
力学表征显示，该金刚石晶圆的维氏硬度高达208.3GPa，是传统金刚石的两倍，展现出卓越的耐磨性与结构稳定性。其耐磨性约为常用多晶金刚石衬底的七倍，甚至能在高质量单晶金刚石表面留下清晰划痕，充分证明了其非凡的加工能力。此外，脉冲氮掺杂生长策略使得在常见的三维工具表面进行沉积成为可能。
高分辨透射电子显微镜进一步揭示了超高硬度的微观起源。该金刚石晶圆内部含有极高密度的三维互锁堆垛层错网络，密度高达4.3×10¹² cm⁻²，有效抑制了位错运动。电子能量损失谱与第一性原理计算表明，氮的掺入显著降低了堆垛层错的形成能，促进了其在生长过程中的稳定形成。
英寸级超硬金刚石晶圆的成功制备，为极端环境电子器件、先进制造及半导体热管理开辟了全新机遇。随着超宽禁带半导体技术的快速发展，金刚石晶圆在MEMS、高功率高频芯片热管理、极端环境传感及先进封装等领域的作用将日益凸显。杨路教授指出，未来对微观结构与能带的可控调制将是实现下一代金刚石基微电子与光电子器件的关键，该超硬晶圆有望成为金刚石MEMS与纳米结构的理想平台，推动应变工程金刚石器件的工业化。
对于中国半导体与高端制造行业而言，这一突破不仅验证了国产科研团队在极端材料制备领域的国际领先地位，更提示我们应加速布局超宽禁带半导体产业链，将实验室的“超硬”优势转化为产业界的“超能”生产力，抢占下一代电子器件的技术制高点。