從科學家到企業家，江南回江南用國內設備“種”出金剛石
核心提示：中國科學院大學2021年本科錄取通知書曾被稱為“最硬”通知書，皆因其中嵌著一塊刻有校訓“博學篤志、格物明德”的金剛石。這批刻
中國科學院大學2021年本科錄取通知書曾被稱為“最硬”通知書，皆因其中嵌著一塊刻有校訓“博學篤志、格物明德”的金剛石。
這批刻有校訓的金剛石，由中國科學院寧波材料技術與工程研究所（以下簡稱寧波材料所）制作完成。
經過多年努力，該所成功打通了從理論探索到裝備與工藝國產化，再到高品質大尺寸單晶高效制備和規模量產的全鏈條，成功研發出我國首條化學氣相沉積（CVD）大單晶金剛石生產示范線，為我國在半導體技術領域實現彎道超車、搶占未來產業的制高點，以及實施國家發展戰略提供了支撐。
江南回江南
2013年，抱著“為中國人在國際業界爭口氣”的決心，擁有海外博士學位、20年工作經驗以及數項榮譽加身的江南，主動放棄國外優渥生活，與志同道合的創業伙伴在鎮海中官路創業創新大街上燃起晶鉆科技“創業夢”。次年，鎮海區海創項目一類扶持資助以及“媽媽式”精準幫扶，恰恰為他的金剛石/金屬界面強化技術、CVD單晶金剛石合成研發注入“強心劑”。如今他所創辦的企業，已是全國最大的化學氣相沉積人造金剛石（培育鉆石）制造企業。
而在當時，國際上已經有個別機構能夠使用CVD法生產金剛石，但售價很高。國內個別廠家雖然有生產裝備，但由于腔體設計有缺陷、等離子體不穩定、氣密性及合成工藝有問題，沒有成功生產的先例。
回國前就有人建議江南使用國外設備，因為“國內設備長不出單晶金剛石”。
江南卻頗有信心，他說：“不必迷信，國外有的機構也就一兩位博士主持研發，而國內那么多科研力量，我們一定行！”這也是后來進入研發團隊的許多人秉持的信念。
江南加入寧波材料所前的人才引進評審會由中國工程院院士、時任寧波材料所科學技術委員會主任薛群基主持。薛群基介紹，當時國內用高溫高壓法生產金剛石的企業很多，出口量也很大，但缺乏高技術層面的應用。
“有專家對江南要做的CVD單晶金剛石研發不看好，畢竟那時連靠譜的國產設備都沒有。”薛群基回憶說，“當時雖然寧波材料所很年輕，但作為國家戰略科技力量的一員，應當圍繞高技術應用、面向國家戰略需求開展研究，這就需要有水平、有信念的人才。”
而江南正是這樣的人才，因此他順利成為寧波材料所的一員。
江南“種”鉆石
金剛石聽起來就很貴重，事實也是如此。它更為人熟知的名字是“鉆石”，由于其切割、打磨后璀璨奪目，因此在飾品市場頗受追捧。此外，金剛石是精密切削和精密加工的關鍵。“幾乎所有高端制造業產品都依賴它。”江南介紹，從光學鏡頭到我國大科學裝置的反射盤，都離不開金剛石刀具的超精密加工。
然而，天然金剛石十分稀有，很難在工業領域實現大規模應用。
20世紀50年代，美國通用公司開始采用高溫高壓法，模擬天然金剛石“老家”地幔層的溫度與壓力，制備金剛石。由于具有綜合優勢，目前依然有大量國內外企業使用這種方法制備金剛石。
與傳統的高壓合成金剛石的方法不同，江南帶領研發人員采用的主要是低壓合成工藝，即化學氣相沉積（CVD）。
“這個過程和‘種植’類似，形象點說，就是在超真空培養倉中，用小鉆石作為‘種子’，甲烷作為‘養料’。甲烷在微波作用下分離出碳原子，逐漸沉積在鉆石‘種子’上，并按鉆石晶格的‘DNA 編碼’順序結晶。”江南說。這種技術相對于傳統主流合成金剛石的高溫高壓法，最大的優勢就是能合成更大、更純的鉆石晶體，同時大幅降低能耗。
江南認為，天然金剛石是大自然的饋贈，而人造金剛石則是人類科技硬實力的展現。
江南造設備
2012年底回國的時候，江南只身一人，攜帶簡單的個人用品，輕裝出發。那時寧波材料所經費并不充裕，但仍為江南提供了當時最高的科研啟動經費。
江南團隊的第一位成員是科研兼行政助理戴丹，第二位成員是來自湖北的碩士畢業生呂繼磊，專業方向是金剛石。
幫手有了，江南決定盡快啟動科研工作。他們想用微波等離子CVD（MPCVD）法實現單晶金剛石的同質外延生長。原理是在微波能量的作用下，將原料氣體激發成等離子體狀態，直到實現輝光發電，腔體中充滿過飽和原子氫和含碳基團，從而有效提高單晶金剛石的沉積速率和質量。為此，先要配備相關設備。
當時，國外已經實現CVD金剛石的生產，但進口一臺設備要花近300萬元，太貴了，而且只買一臺也不能滿足批量生產需求。江南決定在國產設備基礎上進行研發，讓國產化實現得更徹底。
呂繼磊跟著江南到成都等地的幾家設備廠商尋求定制。“江老師很有經驗，也不多說廢話，直接去設備現場，結果發現設備確實非常不成熟。比如腔體做得不均勻、材料本身不均勻，甚至有的地方用鐵替代不銹鋼，就連等離子體都是偏的……”對于10多年前的那段經歷，已成為企業家的呂繼磊記憶猶新。
這一輪定制之旅，用了很多天，白天測試、晚上總結。當他們將這些優化意見提交給廠家時，對方很吃驚。廠家每年只生產幾臺設備，沒想到買家這么“麻煩”。不過，意見提得有理有據，廠家只能按要求進行修改。
就這樣，2013年盛夏，一臺相對靠譜的MPCVD設備終于造出來了。那天，來自寧波材料所的科研人員離開設備廠區后，驅車一個多小時到成都市中心的武侯祠喝茶，心情很好。
江南“種”成了
2013年8月初的一天，MPCVD設備到位了。放置籽晶開機后，這臺設備幾乎成了江南等人的全世界：凌晨兩三點準備下班前，要看一下設備；早上8點多來實驗室，第一件事是看設備；上班過程中，80%的時間都在看設備，觀察金剛石生長情況、參數波動，隨時記錄，以應對突發情況。
然而，過了近一個月，金剛石還沒“種”成功，設備卻開始出現各種問題。
MPCVD設備的諧振腔關系著金剛石的生長效率，其設計、制造需要考慮尺寸、真空密封方式，承載晶片的基片臺的性狀、材質、散熱方式，以及電源、水冷系統、氣源系統等整個設備的外圍穩定性。
由于廠家也不熟悉需要的工藝，江南只能帶領團隊親自動手拆了改、改了裝，3個多月內把這臺設備“大卸八塊”不止100次，有時候一天拆兩次。“上百次的失敗，每次都很沮喪，不是設備不穩定就是部件出問題，長出黑乎乎的已經不能稱之為晶片的金剛石。”江南回憶說。
直到11月，崔平幫忙找到一家專門做腔體的企業，情況才有所好轉。這家企業的負責人很專業且盡心盡責，雙方結合各自經驗逐步摸索，先通過模擬軟件大量計算得到理論中的最優值，再通過經驗疊加，得出實際的最優參數。
升級后的設備各方面得到優化——密封圈不再使用易老化、易熔化的橡膠圈，在試驗過氟膠圈、聚氨酯圈等材料后，最終確定為金屬密封圈；基片臺材質從熱導率差、易變形的不銹鋼換成銅……隨著工藝的改進，江南預判到了成功合成單晶金剛石的節點。
此后，團隊又招進兩名研究生，大家可以輪班看設備了。
2013年12月31日深夜，科研人員準備下班前再次到觀察窗查看，得到了一份新年禮物——第一顆金剛石“種”成功了！這份特殊而貴重的禮物，讓在場的每一位科研人員終生難忘。他們把這顆3毫米×3毫米×1.5毫米的人造金剛石放在石英石表盤上，拍下它的第一張照片。
作為國內第一片使用自主研發的CVD裝備及工藝合成的單晶金剛石，它的誕生不僅意味著整個人造金剛石產業鏈條的生態可能發生改變，更意味著我國人造金剛石的高技術應用不再受制于人。
“是祖國這片創業熱土，讓我的夢想照進了現實。”回國多年，江南的創業“初心”始終未變。2018年，晶鉆科技第四條單晶金剛石生產線也已投入生產，人工鉆石產品已出口至蘇拉特（印度鉆石切磨工業主要集中區域），叩開美國、以色列與歐盟等市場，受到客戶們的青睞。
投之以桃，報之以李
目前，晶鉆科技自主研發的“鉆石生產”裝備已經迭代多次。企業入選了國家級專精特新“小巨人”企業、浙江省制造業單項冠軍企業等。
在江南看來，企業快速發展的背后，離不開寧波在筑巢引鳳、招才引智方面的付出。“政府的支持，對企業發展至關重要，寧波強調高科技發展，支持高科技發展，有機地把研發力量和企業發展相結合，給企業發展帶來了非常大的動力。”江南說。
得益于金剛石人工合成技術的提高和成本的下降，金剛石更廣泛地應用于電子材料、熱沉材料、光學材料、量子材料、超精密加工、激光晶體與傳感器等領域，拉動全產業鏈高質量發展。“通過我們的技術研發，金剛石切割工具的價格只有原來的十分之一，大幅降低了精密制造企業的生產成本。”江南介紹。
近期，江南帶領團隊正夜以繼日地推動金剛石材料在半導體行業的研發應用。材料主要用來制造晶體管及其他半導體元件的基底材料。
投之以桃，報之以李。
不斷提升的人才扶持政策和不斷完善的人才生態鏈，讓江南這樣的科技人才與寧波“雙向奔赴、雙向成就”，走出了一條以人才驅動城市發展的康莊大道。
“希望更多朋友到寧波來，一起創業，共同追尋夢想。”江南說。
文章來源： 浙江日報，浙江省科技廳，浙江省科技廳
原文鏈接：https://www.xianjichina.com/special/detail_551340.html
來源：賢集網
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這批刻有校訓的金剛石，由中國科學院寧波材料技術與工程研究所（以下簡稱寧波材料所）制作完成。
經過多年努力，該所成功打通了從理論探索到裝備與工藝國產化，再到高品質大尺寸單晶高效制備和規模量產的全鏈條，成功研發出我國首條化學氣相沉積（CVD）大單晶金剛石生產示范線，為我國在半導體技術領域實現彎道超車、搶占未來產業的制高點，以及實施國家發展戰略提供了支撐。
江南回江南
2013年，抱著“為中國人在國際業界爭口氣”的決心，擁有海外博士學位、20年工作經驗以及數項榮譽加身的江南，主動放棄國外優渥生活，與志同道合的創業伙伴在鎮海中官路創業創新大街上燃起晶鉆科技“創業夢”。次年，鎮海區海創項目一類扶持資助以及“媽媽式”精準幫扶，恰恰為他的金剛石/金屬界面強化技術、CVD單晶金剛石合成研發注入“強心劑”。如今他所創辦的企業，已是全國最大的化學氣相沉積人造金剛石（培育鉆石）制造企業。
而在當時，國際上已經有個別機構能夠使用CVD法生產金剛石，但售價很高。國內個別廠家雖然有生產裝備，但由于腔體設計有缺陷、等離子體不穩定、氣密性及合成工藝有問題，沒有成功生產的先例。
回國前就有人建議江南使用國外設備，因為“國內設備長不出單晶金剛石”。
江南卻頗有信心，他說：“不必迷信，國外有的機構也就一兩位博士主持研發，而國內那么多科研力量，我們一定行！”這也是后來進入研發團隊的許多人秉持的信念。
江南加入寧波材料所前的人才引進評審會由中國工程院院士、時任寧波材料所科學技術委員會主任薛群基主持。薛群基介紹，當時國內用高溫高壓法生產金剛石的企業很多，出口量也很大，但缺乏高技術層面的應用。
“有專家對江南要做的CVD單晶金剛石研發不看好，畢竟那時連靠譜的國產設備都沒有。”薛群基回憶說，“當時雖然寧波材料所很年輕，但作為國家戰略科技力量的一員，應當圍繞高技術應用、面向國家戰略需求開展研究，這就需要有水平、有信念的人才。”
而江南正是這樣的人才，因此他順利成為寧波材料所的一員。
江南“種”鉆石
金剛石聽起來就很貴重，事實也是如此。它更為人熟知的名字是“鉆石”，由于其切割、打磨后璀璨奪目，因此在飾品市場頗受追捧。此外，金剛石是精密切削和精密加工的關鍵。“幾乎所有高端制造業產品都依賴它。”江南介紹，從光學鏡頭到我國大科學裝置的反射盤，都離不開金剛石刀具的超精密加工。
然而，天然金剛石十分稀有，很難在工業領域實現大規模應用。
20世紀50年代，美國通用公司開始采用高溫高壓法，模擬天然金剛石“老家”地幔層的溫度與壓力，制備金剛石。由于具有綜合優勢，目前依然有大量國內外企業使用這種方法制備金剛石。
與傳統的高壓合成金剛石的方法不同，江南帶領研發人員采用的主要是低壓合成工藝，即化學氣相沉積（CVD）。
“這個過程和‘種植’類似，形象點說，就是在超真空培養倉中，用小鉆石作為‘種子’，甲烷作為‘養料’。甲烷在微波作用下分離出碳原子，逐漸沉積在鉆石‘種子’上，并按鉆石晶格的‘DNA 編碼’順序結晶。”江南說。這種技術相對于傳統主流合成金剛石的高溫高壓法，最大的優勢就是能合成更大、更純的鉆石晶體，同時大幅降低能耗。
江南認為，天然金剛石是大自然的饋贈，而人造金剛石則是人類科技硬實力的展現。
江南造設備
2012年底回國的時候，江南只身一人，攜帶簡單的個人用品，輕裝出發。那時寧波材料所經費并不充裕，但仍為江南提供了當時最高的科研啟動經費。
江南團隊的第一位成員是科研兼行政助理戴丹，第二位成員是來自湖北的碩士畢業生呂繼磊，專業方向是金剛石。
幫手有了，江南決定盡快啟動科研工作。他們想用微波等離子CVD（MPCVD）法實現單晶金剛石的同質外延生長。原理是在微波能量的作用下，將原料氣體激發成等離子體狀態，直到實現輝光發電，腔體中充滿過飽和原子氫和含碳基團，從而有效提高單晶金剛石的沉積速率和質量。為此，先要配備相關設備。
當時，國外已經實現CVD金剛石的生產，但進口一臺設備要花近300萬元，太貴了，而且只買一臺也不能滿足批量生產需求。江南決定在國產設備基礎上進行研發，讓國產化實現得更徹底。
呂繼磊跟著江南到成都等地的幾家設備廠商尋求定制。“江老師很有經驗，也不多說廢話，直接去設備現場，結果發現設備確實非常不成熟。比如腔體做得不均勻、材料本身不均勻，甚至有的地方用鐵替代不銹鋼，就連等離子體都是偏的……”對于10多年前的那段經歷，已成為企業家的呂繼磊記憶猶新。
這一輪定制之旅，用了很多天，白天測試、晚上總結。當他們將這些優化意見提交給廠家時，對方很吃驚。廠家每年只生產幾臺設備，沒想到買家這么“麻煩”。不過，意見提得有理有據，廠家只能按要求進行修改。
就這樣，2013年盛夏，一臺相對靠譜的MPCVD設備終于造出來了。那天，來自寧波材料所的科研人員離開設備廠區后，驅車一個多小時到成都市中心的武侯祠喝茶，心情很好。
江南“種”成了
2013年8月初的一天，MPCVD設備到位了。放置籽晶開機后，這臺設備幾乎成了江南等人的全世界：凌晨兩三點準備下班前，要看一下設備；早上8點多來實驗室，第一件事是看設備；上班過程中，80%的時間都在看設備，觀察金剛石生長情況、參數波動，隨時記錄，以應對突發情況。
然而，過了近一個月，金剛石還沒“種”成功，設備卻開始出現各種問題。
MPCVD設備的諧振腔關系著金剛石的生長效率，其設計、制造需要考慮尺寸、真空密封方式，承載晶片的基片臺的性狀、材質、散熱方式，以及電源、水冷系統、氣源系統等整個設備的外圍穩定性。
由于廠家也不熟悉需要的工藝，江南只能帶領團隊親自動手拆了改、改了裝，3個多月內把這臺設備“大卸八塊”不止100次，有時候一天拆兩次。“上百次的失敗，每次都很沮喪，不是設備不穩定就是部件出問題，長出黑乎乎的已經不能稱之為晶片的金剛石。”江南回憶說。
直到11月，崔平幫忙找到一家專門做腔體的企業，情況才有所好轉。這家企業的負責人很專業且盡心盡責，雙方結合各自經驗逐步摸索，先通過模擬軟件大量計算得到理論中的最優值，再通過經驗疊加，得出實際的最優參數。
升級后的設備各方面得到優化——密封圈不再使用易老化、易熔化的橡膠圈，在試驗過氟膠圈、聚氨酯圈等材料后，最終確定為金屬密封圈；基片臺材質從熱導率差、易變形的不銹鋼換成銅……隨著工藝的改進，江南預判到了成功合成單晶金剛石的節點。
此后，團隊又招進兩名研究生，大家可以輪班看設備了。
2013年12月31日深夜，科研人員準備下班前再次到觀察窗查看，得到了一份新年禮物——第一顆金剛石“種”成功了！這份特殊而貴重的禮物，讓在場的每一位科研人員終生難忘。他們把這顆3毫米×3毫米×1.5毫米的人造金剛石放在石英石表盤上，拍下它的第一張照片。
作為國內第一片使用自主研發的CVD裝備及工藝合成的單晶金剛石，它的誕生不僅意味著整個人造金剛石產業鏈條的生態可能發生改變，更意味著我國人造金剛石的高技術應用不再受制于人。
“是祖國這片創業熱土，讓我的夢想照進了現實。”回國多年，江南的創業“初心”始終未變。2018年，晶鉆科技第四條單晶金剛石生產線也已投入生產，人工鉆石產品已出口至蘇拉特（印度鉆石切磨工業主要集中區域），叩開美國、以色列與歐盟等市場，受到客戶們的青睞。
投之以桃，報之以李
目前，晶鉆科技自主研發的“鉆石生產”裝備已經迭代多次。企業入選了國家級專精特新“小巨人”企業、浙江省制造業單項冠軍企業等。
在江南看來，企業快速發展的背后，離不開寧波在筑巢引鳳、招才引智方面的付出。“政府的支持，對企業發展至關重要，寧波強調高科技發展，支持高科技發展，有機地把研發力量和企業發展相結合，給企業發展帶來了非常大的動力。”江南說。
得益于金剛石人工合成技術的提高和成本的下降，金剛石更廣泛地應用于電子材料、熱沉材料、光學材料、量子材料、超精密加工、激光晶體與傳感器等領域，拉動全產業鏈高質量發展。“通過我們的技術研發，金剛石切割工具的價格只有原來的十分之一，大幅降低了精密制造企業的生產成本。”江南介紹。
近期，江南帶領團隊正夜以繼日地推動金剛石材料在半導體行業的研發應用。材料主要用來制造晶體管及其他半導體元件的基底材料。
投之以桃，報之以李。
不斷提升的人才扶持政策和不斷完善的人才生態鏈，讓江南這樣的科技人才與寧波“雙向奔赴、雙向成就”，走出了一條以人才驅動城市發展的康莊大道。
“希望更多朋友到寧波來，一起創業，共同追尋夢想。”江南說。
文章來源： 浙江日報，浙江省科技廳，浙江省科技廳
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來源：賢集網
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