在安徽合肥科學(xué)島上,，佇立著一個高11米、直徑8米的“巨罐”,，這是中國有“人造太陽”之稱的全超導(dǎo)托卡馬克核聚變實驗裝置,。
“點(diǎn)燃”這個“太陽”，讓它內(nèi)部溫度達(dá)到上億攝氏度,，需要注入數(shù)十兆瓦的微波能量,，而傳輸這種能量，離不開一種微波窗口材料——直徑4英寸、厚度接近2毫米的金剛石,。
這種金剛石,，產(chǎn)自河北,。
中科院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院等離子體物理研究所有“人造太陽”之稱的全超導(dǎo)托卡馬克核聚變實驗裝置（EAST）,。新華社記者 陳諾 攝
近日，走進(jìn)位于京津冀國家技術(shù)創(chuàng)新中心河北中心創(chuàng)新園的河北普萊斯曼金剛石科技有限公司,，生產(chǎn)車間里,，一臺臺MPCVD（微波等離子體化學(xué)氣相沉積）人造金剛石機(jī)器正安靜運(yùn)行，記者透過設(shè)備觀測窗,，看到一團(tuán)耀眼的亮光,。
“這團(tuán)光就是等離子體，內(nèi)部溫度超3000℃,，它可以將氣體原料中的碳原子分離出來,，讓它們像雪花一樣一層一層地飄落在襯底上，‘生長’出金剛石,。”河北普萊斯曼金剛石科技有限公司董事長孫振路說,。
拿下這項核心技術(shù)，普萊斯曼用了十余年時間,。
“大尺寸高品質(zhì)金剛石在新一代半導(dǎo)體,、量子計算等高新技術(shù)領(lǐng)域應(yīng)用前景廣闊，是爭奪未來高科技領(lǐng)域戰(zhàn)略制高點(diǎn)的關(guān)鍵材料,。”孫振路告訴記者,，915兆赫MPCVD技術(shù)，微波功率高,、沉積面積大,，是制備大尺寸高品質(zhì)金剛石的關(guān)鍵技術(shù)，但長久以來,，該技術(shù)被國外壟斷,，產(chǎn)品對我國限制銷售，并且價格不菲,，作為微波窗口材料的高品質(zhì)金剛石,，一片就要上百萬元。
“設(shè)備依賴國外,，發(fā)展就會受制于人,。”2012年，孫振路和團(tuán)隊下定決心,，自己研發(fā),！
不少人質(zhì)疑：你一個地方小企業(yè)，能搞出什么名堂,？
孫振路的底氣來自于多年的研究積累,。普萊斯曼公司成立于2009年,，是由河北省激光研究所有限公司（原河北省科學(xué)院激光研究所）等投資成立的專業(yè)生產(chǎn)高質(zhì)量CVD（化學(xué)氣相沉積）金剛石的科技型創(chuàng)新企業(yè)。公司成立伊始,，便開始研發(fā)MPCVD技術(shù),。2012年，該公司就掌握了2英寸金剛石的生產(chǎn)技術(shù),。
相比2英寸,，生產(chǎn)大尺寸高品質(zhì)金剛石，需要更大的等離子體尺寸,、更高的能量密度和更好的穩(wěn)定性,，國內(nèi)沒有生產(chǎn)技術(shù)經(jīng)驗可循，只能摸著石頭過河,。
第一關(guān),，是如何讓金剛石均勻沉積。
“‘生長’金剛石的氣源主要有甲烷,、氫氣等,，在微波作用下，反應(yīng)腔中會產(chǎn)生等離子體,，激發(fā)氣體分子的化學(xué)鍵,，使其解離、反應(yīng)和重組,，最終在襯底表面沉積,。”項目研發(fā)負(fù)責(zé)人李義鋒介紹。
原理不復(fù)雜,，工藝卻十分繁復(fù),。
李義鋒將等離子體比喻成一個火苗。“拿火苗去燒一塊板子,，火苗固定的情況下,，板子上的一個點(diǎn)會因為受熱多一些，變得滾燙,，其他地方則溫度偏低,。”李義鋒說，等離子體也是如此,，在反應(yīng)腔中,，溫度高的地方，沉積速率更高,，最終,，沉積厚度不均會導(dǎo)致金剛石表面開裂、爆膜。
如何確保溫度的均勻性,？
研發(fā)團(tuán)隊一邊設(shè)計,、一邊試驗，熬了無數(shù)通宵,，卻屢試屢敗,。“大家都知道，要調(diào)整電磁場的分布,，控制等離子體,，但究竟如何調(diào)整,、怎么控制,，卻沒人能說出來。”李義鋒回憶,。
突然有一天,，正在做試驗的李義鋒靈光一閃：要不，咱們改一改反應(yīng)腔的結(jié)構(gòu),？
大家覺得可以一試,。測評對比、計算驗證,、系統(tǒng)聯(lián)調(diào)……一番論證后,，解決方案終于確定下來。研發(fā)團(tuán)隊改進(jìn)了設(shè)備結(jié)構(gòu),，同時,，優(yōu)化氣流運(yùn)行工藝，使金剛石沉積的均勻性大大提高,。
設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行,，也是一塊難啃的“硬骨頭”。
“大尺寸高品質(zhì)金剛石每小時只能‘生長’幾微米,，而我們的目標(biāo)是厚度至少達(dá)到2毫米,，也就是說，設(shè)備單次穩(wěn)定運(yùn)行時間需要數(shù)百甚至上千小時,。”李義鋒說,，最開始，設(shè)備頻繁故障,，根本無法長時間工作,。
“病因”在哪兒？
一片金剛石的“生長”,，有幾十道工序,，每一步都涉及眾多參數(shù)，任何一個參數(shù)不適配，都有可能影響設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行,。大家一個個查找,，一項項改進(jìn)，歷經(jīng)數(shù)百次失敗,，2016年,，團(tuán)隊終于穩(wěn)定制備出直徑5英寸、厚度超過2毫米的大尺寸金剛石,。
普萊斯曼公司將產(chǎn)品免費(fèi)發(fā)給客戶試用,，不料，新產(chǎn)品雖然滿足了尺寸和精度要求,，但能量損耗高,，性能指標(biāo)還需要改進(jìn)提升。
大家重新鉆進(jìn)實驗室,，繼續(xù)優(yōu)化沉積工藝,，2017年，新一代金剛石沉積設(shè)備誕生,，生產(chǎn)的產(chǎn)品一次性通過檢測,。
中國工程院院士、中國“人造太陽”項目首席科學(xué)家李建剛對該項目成果給予高度評價：普萊斯曼自主研發(fā)的915兆赫/75千瓦M(jìn)PCVD設(shè)備在國內(nèi)率先合成聚變堆用兆瓦級微波窗口,，窗口性能指標(biāo)達(dá)到國外同類產(chǎn)品水平,，可替代國外金剛石窗口應(yīng)用于我國聚變工程研究。
性能優(yōu)異,，價格又遠(yuǎn)低于國外產(chǎn)品,，普萊斯曼的金剛石不僅在“人造太陽”上大顯身手，還收獲了國內(nèi)外多家科研院所的訂單,，廣泛應(yīng)用在重點(diǎn)項目和重大工程上,。
“原來的生產(chǎn)設(shè)備體積大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜,，制造成本很高,、維護(hù)困難。”李義鋒說,，近些年,，團(tuán)隊不斷優(yōu)化設(shè)備結(jié)構(gòu)和性能，使之更適合于大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)需求,。
去年年底,，公司新增兩臺經(jīng)過小型化設(shè)計的機(jī)器，單次穩(wěn)定運(yùn)行時間超1500小時,，可沉積直徑達(dá)6—8英寸,。
普萊斯曼還想讓這片金剛石更完美,。
在公司實驗室的一張桌子上，記者看到許多金剛石試驗品,，有的光潔透亮,，有的含有雜質(zhì)。“雜質(zhì)會影響金剛石的透光性和熱導(dǎo)率,，在一些高精尖技術(shù)領(lǐng)域無法應(yīng)用,。”孫振路對記者說，他們現(xiàn)在正抓緊調(diào)整工藝參數(shù),，提高生產(chǎn)無雜質(zhì)金剛石的成功率,，“相信這片高品質(zhì)國產(chǎn)金剛石，未來能闖出更廣闊的市場,。”（河北日報記者 王璐丹 劉榮榮）
