讓FBI調查華為的「鑽石玻璃」技術,有那麼神嗎?

文 / 科技新報      2019-02-16

讓FBI調查華為的「鑽石玻璃」技術,有那麼神嗎?

圖片取自pixabay



彭博商業周刊(Bloomberg Businessweek)報導,阿汗半導體公司(Akhan Semiconductor Inc.)在玻璃表面塗上一層超薄人工鑽石生產出「米拉吉鑽石玻璃」(Miraj Diamond Glass),號稱硬度可比目前業界標準的「大猩猩玻璃」(Gorilla Glass)螢幕強 6 倍、耐刮度強 10 倍。到底什麼是「鑽石玻璃」?目前人造鑽石技術究竟發展到什麼程度了?

什麼是「鑽石」(Diamond)?

鑽石是指「碳的鑽石結構結晶」,也就是碳原子整齊排列成「鑽石結構」,是目前地球已知硬度最高的物質,在工業與軍事有極大的用途,同時也被稱為「第三代半導體材料」,未來有可能影響整個半導體產業的發展。

值得注意的是,碳原子如果整齊排列成鑽石結構稱為鑽石,如圖一上所示,但「單層的碳原子」如果整齊排列成「六邊形」,就稱為「石墨烯」(Graphene),如圖一下所示;許許多多層石墨烯堆疊起來就形成「石墨」(Graphite);如果碳原子亂七八糟排列不整齊,則變成平常烤肉時使用的「木炭」(Charcoal)。看起來原子怎麼排列價錢差很多呢。

圖/鑽石(上)與石墨烯的碳原子排列方式。(Source:[上]MarinaVladivostok [CC0], from Wikimedia Commons,[下]AlexanderAlUS [CC BY-SA 3.0], from Wikimedia Commons)

天然鑽石與人造鑽石

鑽石雖然用途很多,但在自然界的碳原子要「整塊」形成結晶極困難,只有埋藏在很深的地底(高溫),並受到地殼擠壓(高壓)的嚴苛條件下才會形成鑽石結構,要滿足這些條件的機率不高,因此天然鑽石產量很少,價格昂貴,且價格長期以來操縱在 De Beers 等幾家外國珠寶商手中。

早期如果要以人造方式生產鑽石,大多使用「高溫高壓法」(HTHP,High Temperature High Pressure),在容器內對石墨施加高溫高壓,使碳原子排列成鑽石結構結晶,但在容器內無法模擬大自然的高溫高壓,因此長出來的人造鑽石顆粒小、品質差,無法於工業與軍事應用。

近年來美國卡內基科學研究院毛河光教授帶領的研究團隊,成功使用「微波電漿化學氣相沉積法」(MPCVD,Microwave Plasma Chemical Vapor Deposition)成長鑽石,如圖二所示,使用「鑽石晶種」(Diamond seed),也就是一小片鑽石當「基板」(Substrate),將高純度甲烷(CH4)通入反應器,經由高能量的「微波」(Microwave)打斷甲烷的碳氫鍵,產生帶正電的碳離子與氫離子形成「甲烷電漿」(Methane plasma),碳離子慢慢沉積在鑽石晶種表面,以鑽石晶種為「排頭」,依照鑽石結構整齊排列堆積,最後長成一顆完美的鑽石。用這種技術一個月就可長出「一盤」每顆 1 克拉的鑽石,且可在成長過程摻雜不同氣體原子,形成不同顏色的「彩鑽」,成本約是目前天然鑽石的 50% 以下,讓工業與軍事應用成為可能。

圖/微波電漿化學氣相沉積法系統示意圖。

「真鑽」的定義將被重新改寫

天然鑽石廠商如 De Beers 等公司,總是宣傳只有天然的鑽石才算「真鑽」,人造鑽石都是「假鑽」。實際上以科學角度,鑽石就是「碳的鑽石結構結晶」,不論地底挖出來的,或是實驗室長出來的,只要是碳的鑽石結構結晶就是「真鑽」。且礦場挖出來的鑽石一定會有缺陷,使用 MPCVD 長成的鑽石則完美無瑕,一般鑽石鑑定師用傳統方法完全分辨不出來,必須使用科學儀器,如拉曼光譜儀才能分辨。

有趣的是,目前最常用的分辨方式是「有缺陷」的是天然鑽石,「完美無瑕」的是人造鑽石,讓人有點錯亂,到底哪個比較有價值?因此,我們不應該再說人工成長的鑽石是「假鑽」,而應該說地底挖出來的是「天然真鑽」,實驗室成長的是「人造真鑽」才對。

鑽石玻璃技術

我們平常燒開水用的瓦斯主要成分就是甲烷,甲烷可由生物糞便產生,才會有人說:毛河光讓牛糞變鑽石,珠寶界震驚。因此 MPCVD 長成鑽石的成本沒有想像高,主要消耗的是電力,不過重點在必須使用鑽石晶種才能長出鑽石。阿汗半導體公司是將鑽石長在玻璃上,因此稱為「鑽石玻璃」,由於使用玻璃為基板要長出碳的鑽石結構結晶有困難,可能的方法是使用「緩衝層」技術。

就算鑽石玻璃真能做出來,成本約是目前天然鑽石的 50% 以下仍算太貴,不太可能拿來做手機面板的玻璃。因此阿汗半導體公司比較可能是在玻璃表面長出碳原子排列接近鑽石結構的「類鑽石」,這種類鑽石雖然比玻璃硬,但要達到比目前業界標準的「大猩猩玻璃」螢幕薄 800 倍、強度大 6 倍,耐刮性強 10 倍,恐怕有待考驗!

材料性質測試很難「不破壞樣本」

有媒體報導稱,阿汗半導體同意提供兩個米拉吉玻璃樣本給華為加州聖地牙哥的辦公室,華為則承諾收到後 60 天內返還所有樣本,且任何測試不得破壞樣本。

但材料的性質測試很難「不破壞樣本」,除了使用各種光譜儀測試鑽石玻璃的光學性質、鑽石特性與厚度等,這些不會破壞樣本,最重要的還是有沒有「號稱」的硬度,所謂硬度就是材料可抵抗更硬的物體壓入表面的能力,目前常用的洛氏硬度試驗(Rockwell)或維氏硬度試驗(Vickers)等方法,都必須使用鑽石圓錐壓入材料表面,再量測壓痕的尺寸來決定硬度,這樣必定會破壞樣本,更不用說所謂的「耐刮度強」,一定是要拿來刮刮看才知道啊!

阿汗半導體宣稱這種材料硬度高又耐刮,卻要求「任何測試不得破壞樣本」,這種說法有點奇怪,不破壞樣本如何確定到底有多硬多耐刮?當然如果要研究阿汗半導體公司到底使用什麼材料為緩衝層,就必須用雷射切開,從側面進行材料分析,這個或許是阿汗半導體擔心的事,不過這也無法預防,因為將來這支手機賣出去以後,任何人買一支來都可拆開分析材料。因鑽石玻璃樣本被破壞,就說華為涉盜鑽石玻璃機密,這種說法有點勉強,緩衝層並不是知道材料種類就可做出來,還必須猜測成長方法,這要花一些時間,並沒有想像容易。

鑽石玻璃或藍寶石做手機面板難度高

2014 年蘋果因 iPhone 6 可能採用藍寶石螢幕的傳言鬧得沸沸揚揚,後來因為成本太高、量產困難、硬度不如預期而放棄,現在又有廠商提出鑽石玻璃,聽起來更酷更炫了!不過這種東西是不是真能做到低成本、高良率、高硬度,如同廠商宣稱那樣,就有待市場考驗囉。

作者:曲建仲,政治大學科技管理與智慧財產研究所兼任助理教授

本文轉載自2019.2.14「科技新報」,僅反映作者意見,不代表本社立場。

關鍵字: 全球焦點評論科技

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