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第四届第三代半导体材料技术与市场研讨会

2025年3月6日-7日   苏州

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一直以来，碳化硅和金刚石都是备受关注的材料。由于它们在性能上的相似之处，导致在实际应用中出现了一些重合，甚至在某些领域引发了竞争，甚至出现“被冒充”的情况。本文将从珠宝界的角度，探讨真钻石与莫桑石之间的较量。

真钻石与“冒牌货”的较量

由于价格高昂，钻石市场长期受到仿钻宝石的冲击，其中莫桑石无疑是最具挑战性的“竞争者”。首先，让我们了解这两种材料的基本特性。

“钻石恒久远，一颗永流传”

从质量和用途上来看，金刚石可以分为宝石级金刚石和工业金刚石。我们日常所说的钻石，即是经过精细琢磨的宝石级金刚石。

天然钻石主要形成于地下150至250千米深处的金伯利岩。在这样的深度下，一些矿物结晶被含碳热流体包裹，晶体中的其他矿物质被碳元素置换，碳元素在高温高压下结晶形成钻石。火山喷发将深处的金伯利岩带到地表，只有少数钻石能够搭上“顺风车”被开采出来。

凭借其珍贵、稀有和璀璨夺目的外表，钻石成为了爱情忠贞不渝的象征。然而，高昂的价格也使得钻石市场长期受到仿钻宝石的冲击，特别是莫桑石的出现，更是引发了市场的激烈竞争。

莫桑石：实现每个女人的“克拉”梦

尽管钻石象征着永恒的爱情，但其高昂的价格让许多人望而却步。品相极佳的钻石，一克拉的价格可高达数十万元甚至上百万元人民币，对于一些人来说，丢失一颗钻石等同于“损失一个亿”。而如果将钻石放在橱柜里长期存放，则失去了其作为装饰品的意义。

在这种情况下，一种名为“莫桑钻”的宝石悄然流行开来。莫桑石，即由碳化硅（SiC）晶体材料打造而成，最早由诺贝尔奖获得者亨利·莫桑博士在1893年分析陨石碎片时发现。1905年，为了表示对他的敬意，莫桑石因此得名。莫桑石成分为100%碳化硅，也被称为金刚砂，因其与金刚石在外观上的相似性而备受关注。

天然莫桑石在自然界中极为稀有，仅能在极端环境下形成，如陨石或地幔岩石中。天然莫桑石的形状各异，颜色多样，包括蓝色、绿色、灰色、黄色及无色等，主要用于磨料，无法用于宝石镶嵌。由于天然莫桑石极为稀少，储量不足以满足商业需求，且品质不够理想，因此在珠宝市场中并不具备竞争力。所有应用于珠宝行业的莫桑石均为人工合成材料。

人工合成莫桑石：真宝石还是“骗局”？

尽管天然莫桑石无法用于制作宝石，但人工合成的莫桑石却成为了市场上的“黑马”。人工合成的莫桑石是一种近似无色的独特宝石材料，乍看之下，莫桑石与天然钻石难以区分，甚至连普通仪器也难以辨别。然而，仔细观察会发现，莫桑石的火彩比钻石更为强烈，更加惊艳，能够完美做到“以假乱真”，而其价格却仅为钻石的十分之一甚至更低。

特别是在微商和代购盛行的时期，“莫桑钻”被包装成钻石的一种进行炒作，导致不少钻石从业者纷纷出来打假，然而“撕来撕去”也未能取得明确的结果。从商家追逐利益而进行的过度炒作角度来看，确实存在“骗局”的成分，但这并不意味着莫桑石是假宝石。

尽管天然莫桑石无法用于宝石制作，人工合成的莫桑石却经过复杂的工艺流程，从粉料合成、结晶生长到抛光打磨，制备出闪耀夺目的宝石，需要稳定的工艺和大量的人力、物力及资金投入。即便是钻石，市面上的人工合成钻石也占据了相当大的市场份额。最初，美国C3公司将“合成莫桑石”作为一种新型宝石推向市场，而非简单的“仿钻”材料。因此，将莫桑石作为钻石出售时，它就是假钻石；而作为合成宝石出售时，它则是一类真宝石。

磨料是用于磨削或抛光被加工材料表面的锐利、坚硬材料。在工业加工中，尤其是高精度或低粗糙度零件的制造，以及对特别硬质材料的加工，磨料作为切磨工具的重要组成部分，扮演着不可或缺的角色。碳化硅和金刚石是两种常见且重要的磨料材料。

碳化硅因其高硬度，仅次于金刚石和六方氮化硼，广泛应用于各种磨削用砂轮、砂布、砂纸及其他磨料工具。碳化硅主要分为黑碳化硅和绿碳化硅两种类型：

• 黑碳化硅：硬度较低，适用于磨削硬度较低的材料，如铸铁和非金属材料。

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• 绿碳化硅：硬度较高，适合磨削硬质合金、光学玻璃、钛合金等高强度材料。此外，立方碳化硅专用于微型轴承的超精磨。

碳化硅磨具因其优异的耐磨性能和相对较低的成本，在机械加工行业中得到了广泛应用。然而，随着技术的发展，碳化硅在某些领域正面临金刚石的激烈竞争。

金刚石拥有比碳化硅更高的硬度，其颗粒外形尖锐锋利，与立方氮化硼同属超硬磨料，能够有效磨削各种高硬度、高脆性及高强韧性的材料。这使得金刚石磨料在处理软硬相差悬殊的合金试样时，表现出色，尤其在抛光效果上更胜一筹。

然而，金刚石也有其局限性。由于在700℃至800℃的高温下容易发生碳化，因此不适合用于磨削钢铁材料及进行超高速磨削。这一特性限制了金刚石在某些高温环境下的应用。

目前，金刚石因其更高的硬度和更高的磨削效率，正在逐步取代碳化硅，特别是在高硬、高脆和高强韧性材料的切磨方面。这一趋势显示出金刚石在高端磨料市场中的强劲竞争力。

随着碳化硅作为第三代半导体材料的快速发展，SiC晶圆的研磨抛光成为新的热点。然而，碳化硅因其本身的高硬度、大脆性和强化学惰性，使得在保证高抛光质量和高抛光速率之间存在挑战，成为典型的难加工材料。

为应对这一挑战，金刚石与氧化铝（Al₂O₃）、二氧化硅（SiO₂）等材料搭配，形成复合磨料，用于对碳化硅晶圆的抛光。这种复合磨料不仅提升了抛光效率，还有效改善了抛光质量，体现了碳化硅与金刚石之间的技术较量。

碳化硅和金刚石作为两大超硬材料，在磨料市场中的竞争不仅推动了材料科学的进步，也促使相关制造工艺不断优化。尽管金刚石在某些高端应用中占据优势，但碳化硅凭借其在半导体产业中的关键地位，仍然保持着重要的市场份额。

离地起飞的半导体PK终极半导体

高性能半导体器件的制造离不开先进的半导体材料。为了满足半导体器件在性能上的需求，半导体材料经历了从第一代的元素半导体材料（如硅、锗）、第二代的化合物半导体材料（如砷化镓、磷化铟），到如今备受瞩目的第三代宽禁带半导体材料（如碳化硅、氮化镓）的不断演进。

碳化硅（SiC）作为目前发展最成熟的第三代半导体材料，近年来在产业界掀起了巨大的热潮。特别是在“双碳”战略背景下，碳化硅被广泛应用于新能源汽车、光伏、储能等节能减碳领域，成为行业关注的焦点。因此，有人称碳化硅为“正在离地起飞的半导体材料”。

金刚石是一种超宽禁带半导体，其禁带宽度达5.5 eV，具有高电子迁移率（4500 cm²/Vs）、高电子饱和速度（2×10⁷ cm/s）、高击穿场强（10⁷ V/cm）和高热导率（2000 W/m·K）等优异特性。其功率器件的Johnson指标是宽禁带半导体碳化硅（SiC）的10倍。随着SiC和氮化镓（GaN）功率电子学逐步进入成熟发展阶段，新的需求正在推动下一代功率电子学的发展。金刚石被认为是制造下一代高功率、高频、高温及低功率损耗电子器件的最有前景的材料，被业界誉为“终极半导体”。

可以预见，未来金刚石和碳化硅将在宽禁带领域展开直接竞争。但目前来看，碳化硅已进入商业化应用阶段，受益于下游市场的强劲需求，产业正处于高速成长期。而金刚石半导体仍处于实验室研究阶段，实现量产仍需较长时间。此外，在具体应用方面，金刚石半导体的定位尚不明朗。因此，在相当长的一段时间内，金刚石尚难以超越碳化硅的市场地位。