自1963年参研“121”项目合成国内第一颗金刚石至今，从两面顶高温高压合成金刚石、金刚石工具到化学气相沉积金刚石，中材人工晶体研究院有限公司(简称晶体院)走过了六十年艰难而辉煌的金刚石研究历程。在一代又一代研究人员的努力下，通过技术研发有力推动了我国金刚石制备及工具应用技术的进步，为我国金刚石行业的蓬勃发展做出贡献。回看晶体院金刚石六十年研发历程，本文由点带面，期望在科技研发攻关、技术成果转化、发展思维等方面为新时代金刚石领域工作者提供启示与借鉴。

金刚石是集最高硬度、超宽禁带、最高热导率等优异性能于一体的典型超硬多功能材料, 天然金刚石储量低且价格昂贵, 其中彩色天然金刚石在自然界中产储量极其稀少且致色机制较为复杂。高温高压法是制备金刚石的有效手段, 然而调控金刚石颜色获得可控的彩色金刚石, 仍面临极大挑战。本文通过对粉色、绿色天然和高温高压温度梯度法制备的金刚石进行一系列拉曼、荧光、红外和可见光吸收测试, 详细地研究其品质、缺陷随温度变化及致色原因, 发现彩色金刚石致色与电中性的N2V缺陷(H3)、剪切应力、塑性形变和NV0/NV-色心等因素相关。通过各种手段获得不同颜色的金刚石不仅是为了其欣赏及收藏价值, 其颜色的调控也有助于人们对金刚石形成机制的进一步了解, 为培育彩色金刚石提供新的参考。

本文基于密度泛函理论(DFT)的第一性原理平面波超软赝势方法计算了z-BC2N和z-B2CN的4种晶体结构的电子结构、硬度和光学性质。结果表明，z-BC2N(2)为直接带隙半导体，其禁带宽度2.449 eV，z-BC2N(1)为间接宽带隙半导体，其禁带宽度为3.381 eV，而z-B2CN(1)和z-B2CN(2)为导体；硬度结果显示z-BC2N(1)、z-BC2N(2)和z-B2CN(1)为超硬材料。最后通过计算z-BC2N基本光学函数与光子能量的关系表征了其光学性质。分析结果表明，z-BC2N结构可以用作良好的耐磨材料和窗口耐热材料。

金刚石是一种具有优异性能的极限性超硬多功能材料。人工合成的金刚石可通过掺杂的方式使其具有各种独特的性质。掺硼金刚石兼具p型半导体的导电特性和金刚石自身优良的物理和化学性能，在**、医疗、勘探、科研等领域具有极高的应用价值。本文基于本课题组高温高压(HPHT)法合成的系列掺硼金刚石以及硼协同掺杂金刚石单晶，进行了硼掺杂金刚石、硼氢协同掺杂金刚石以及硼氮协同掺杂金刚石的合成和性能特征等方面的研究。通过表征合成样品在光学、电学方面的性能，探讨了不同掺杂添加剂对合成金刚石性能的影响，为合成高性能的半导体金刚石提供了思路。

立方氮化硼(c-BN)作为闪锌矿面心立方结构的Ⅲ-Ⅴ族二元化合物，是第三代半导体中禁带宽度最大的材料，还具有高热导率、高硬度、耐高温、耐氧化、化学稳定性好、透光波长范围广、可实现p型或n型掺杂等一系列性能优点，不仅作为超硬磨料在各行业的加工领域有广泛的应用，而且作为极端电子学材料在大功率半导体和光电子器件等领域也具有潜在的应用价值，使其适用于高温、高功率、高压、高频以及强辐射等极端环境。本文综述了历年来国内外制备c-BN晶体和外延生长c-BN薄膜的发展历程，重点关注了生长技术进步和晶体质量提高的代表性成果，并对c-BN的机械性能、光学性能以及电学性能方面的研究进展进行阐述，最后对全文内容进行总结并对c-BN应用所面临的挑战进行展望。

化学气相沉积(CVD)技术的发展使得金刚石优异的综合性能得以充分发挥，在诸多领域获得应用，并有可能实现跨越式的发展。色心使得金刚石量子加速器初步显示了巨大可行性，包括紫外激光写入窗口等诸多应用场景将金刚石的光、电、热和力学综合优势发挥到了极致，超宽禁带金刚石半导体应用将很快实现，金刚石的散热应用也在不断拓展。本文在总结CVD金刚石的制备方法和性能特点的基础上，根据金刚石的本征特点和应用领域，将其分为量子级、电子级、光学级、热学级和力学级五类，对各类金刚石的研究和应用状况进行了详细阐述，进一步明晰CVD金刚石目前的发展状态，对研判其未来发展趋势有重要意义。

掺杂是调控金刚石性能的一种重要手段。本文采用温度梯度法, 在5.6 GPa、1 312 ℃的条件下, 选用Fe3P作为磷源进行磷掺杂金刚石大单晶的合成。金刚石样品的显微光学照片表明, 随着Fe3P添加比例的增加, 金刚石晶体的颜色逐渐变深, 包裹体数量逐渐增加, 晶形由板状转变为塔状直至骸晶。金刚石晶形的变化表明Fe3P的添加使生长金刚石的V形区向右偏移, 这是Fe3P改变触媒特性的缘故。红外光谱分析表明, Fe3P的添加使金刚石晶体中氮含量上升, 这说明磷的进入诱使氮原子更容易进入金刚石晶格中。激光拉曼光谱测试表明, 随着Fe3P添加比例的增加, 所合成的掺磷金刚石的拉曼峰位变化不大, 其半峰全宽(FWHM)值变大, 这说明磷的进入使得金刚石晶格畸变增加。XPS测试结果显示, 随着Fe3P添加比例的增加, 金刚石晶体中磷相对碳的原子百分含量也会增加, 这意味着添加Fe3P所合成的金刚石晶体中有磷存在。

选取几种典型的 PCD、PCBN 复合片, 采用QCW光纤激光对其进行了多次切割工艺试验。运用三坐标测量仪、三维显微镜对激光切割加工后复合片的表面粗糙度、加工质量等进行测量。结果表明, 经QCW光纤激光切割后的复合片, 切割缝宽均在0.18～0.2 mm左右, 崩边尺寸和热影响区域在0.1 mm左右, 切割截面粗糙度为Ra 30～50 μm。从切割效率上来看, 对于1.6 mm复合片, QCW光纤激光切割PCD效率可达12～15 mm/s, PCBN可达8～10 mm/s, 而市面上的YAG激光切割效率普遍为1～2 mm/s, 即在切割质量相同的情况下, QCW光纤激光切割效率是YAG激光的6倍, 但QCW光纤激光切割设备价格只比YAG激光设备略贵。因此, 采用QCW光纤激光切割PCD和PCBN复合片具有显著的优势。