撰稿人：Lia ／ 責任編輯：Zaphyra
英國牛津郡（Oxfordshire）南方，全球最先進、也最隱密的材料科學實驗室之一「元素六」（Element Six），正在加速一場將重塑科技未來的革命。這場革命的主角，並非新奇的化合物，而是最古老、最簡單的材料：鑽石。元素六（隸屬於De Beers集團） 作為西方最大的先進材料供應商，已掌握了兩種核心的合成鑽石技術。第一種是「高溫高壓」（HPHT）法，在超過華氏2500度（約1370°C）與80萬psi（磅/平方英吋）—相當於將艾菲爾鐵塔壓在一個可樂罐上—的極端條件下，模仿自然界的形成過程，在數分鐘或數週內快速生長工業級鑽石。此法主要用於製造切削工具、鑽頭，乃至智慧型手機的玻璃塑形。第二種是「化學氣相沉積」（CVD）法，在真空室中利用微波將高純度氣體激發為超過3600°F（約2000°C）的電漿（plasma），使碳原子「如雨一般」降下，逐個原子層地在鑽石種子上磊晶生長。CVD法雖然生長較慢，但提供了極高的精確控制，專門用於製造光學、熱管理與量子技術所需的高科技鑽石。
鑽石之所以成為這場競賽的核心，源於其看似矛盾的特性。它僅由碳原子構成，是「最極致的共價鍵結構」，這種簡單性卻賦予了它一系列「登峰造極的特性」（superlative properties）。它是已知最堅硬的材料，同時對可見光、紫外光和紅外光完全透明（適用於雷射窗口），並且擁有無與倫比的導熱性（適用於高功率電子產品的散熱）。更重要的是，它能承受極高的電壓而不崩潰，使其成為取代矽（Silicon）、潛力無限的「終極半導體材料」。然而，元素六與整個科學界的目光，已不再滿足於製造「完美」的鑽石。實驗室的科學家指出，鑽石的下一個十年，關鍵在於「刻意地工程化改變」，即「摻雜」（doping）。
這場革命的真正前沿，在於「工程缺陷」（engineered defects）。完美的鑽石晶格由於其緊密的鍵合，通常是電的絕緣體。但科學家發現，透過在晶格中刻意製造缺陷，可以解鎖全新的功能。其中最受矚目的，是「氮空缺」（Nitrogen-Vacancy, NV）缺陷—利用一個氮原子取代碳原子，並使其相鄰位置保持空缺。這種缺陷使鑽石呈現粉紅色，但更重要的是，它賦予了鑽石獨特的「量子特性」，使其對微小的磁場、電場和溫度變化極為敏感。這使得鑽石成為實現量子感測、量子運算與新型醫學成像的理想平台。元素六目前正與美國國防部高等研究計劃署（DARPA）合作，開發能在極端環境下運作的鑽石系統。然而，從「利基市場」邁向「規模市場」（如半導體）的挑戰依然巨大。「高品級合成鑽石」的成本仍遠高於矽，且如何將其大規模「整合」到現有產業鏈中，仍需5至15年的努力。
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Lia. Independent Media 台北報導
在英國牛津郡（Oxfordshire）南方的哈維爾園區（Harwell Campus），座落著一座外觀低調、內部卻極度機密的建築。這裡是「元素六」（Element Six）的全球創新中心。元素六是全球鑽石巨頭戴比爾斯（De Beers）集團的子公司，也是西方世界最大、最先進的合成鑽石材料供應商。
在這裡，鑽石的意義被徹底改寫。它不再是珠寶的代名詞，而是一種關乎未來的戰略性工業材料。元素六的科學家們正利用極端的物理條件，在實驗室中加速了地球數十億年的地質演化。
他們所追求的，是鑽石那近乎矛盾的完美特性。它僅由碳原子構成，是「最極致的共價鍵結構」，這種結構上的至簡，卻賦予了它一系列「登峰造極的特性」（superlative properties）。它是已知最堅硬的材料、最優秀的熱導體之一、光學上高度透明，並且是電的絕緣體。
然而，在掌握了「完美」之後，元素六與整個材料科學界，正將目光投向下一個更具挑戰性的目標：有控制的「不完美」。正如其科學家在專訪中指出的：「我們已經擁有了完美的鑽石。現在，我們該如何透過『刻意地工程化改變』（doping），來解鎖它的新潛能？」 這場關於「工程缺陷」的競賽，正拉開鑽石第二次革命的序幕。
模仿自然的蠻力—HPHT的工業基石
元素六的生產線，主要依賴兩種截然不同的合成技術。第一種是「高溫高壓」（HPHT），這是一種對自然力量的極致模仿。
HPHT技術的核心，是創造出地函深處的極端環境。其流程如下：
原料準備： 製造商將碳源（如石墨）、一些金屬（作為催化劑/熔劑）和一顆微小的鑽石「種子」（seed），一起密封在一個膠囊中。
極端加壓： 膠囊被放入一個巨大的液壓機（HPHT反應器）中。施加的壓力超過80萬psi（磅/平方英吋）。
高溫熔化： 同時，反應器被加熱至超過華氏2500度（約1370°C）。
為了理解80萬psi的量級，元素六的科學家提供了一個生動的比喻：這「相當於將整座艾菲爾鐵塔，壓在一個可樂罐的頂部」。相比之下，用於水力壓裂（fracking）以提取石油的壓力，僅約為2,000至15,000 psi。
在這種極端的溫壓下，碳源和金屬會溶解成一種「熔融體」（flux）。碳原子隨後會從熔融體中析出，並在溫度較低的鑽石種子上「結晶」。
「這些機器正在模仿自然母親製造鑽石的方式，」元素六的科學家表示，「只是時間尺度極短。」 地球需要數十億年，而HPHT只需數分鐘到數週，就能製造出一塊合成鑽石複合物。
HPHT法以其「快速」和「量大」的特點，成為工業應用的基石。它製造的鑽石，主要用於鑽頭、採礦設備、以及打磨和塑造其他堅硬材料，例如我們日常生活中智慧型手機上的玻璃螢幕。這是鑽石作為「工具」的傳統角色。
原子層的精雕細琢—CVD的技術前沿
如果說HPHT是「蠻力」，那麼元素六掌握的第二種技術—「化學氣相沉積」（CVD）—就是「精雕細琢」。
CVD技術不再模仿地底，而是轉向了電漿物理學。其流程在一個真空腔室中進行：
佈置種子： 鑽石種子（通常是HPHT製成的小晶片）被平放在腔室的基座上。
注入氣體： 腔室中被注入極高純度的氣體，通常是甲烷（作為碳源）和氫氣。
激發電漿： 利用微波能量，這些氣體被激發成一團熾熱的電漿（plasma，即離子化氣體），溫度超過華氏3600度（約2000°C）。
原子沉降： 在電漿中，碳氫鍵被打斷，純粹的碳原子被釋放出來。科學家透過精確控制腔室的溫度和壓力，讓這些碳原子「像雨一樣降下」（rain down），在鑽石種子上「逐個原子層地」（atomic layer by atomic layer）磊晶生長。
CVD法給予了科學家無與倫比的「精確控制權」。雖然其生長速度遠慢於HPHT，但它能製造出純度極高、面積更大的單晶鑽石（Single-Crystal Diamond）。
這種高純度鑽石，是HPHT無法企及的，它們被用於最高端的技術應用：
光學窗口： 鑽石對可見光、紫外光和紅外光幾乎完全透明。這使其成為高功率雷射系統或極端環境（如焊接設備）中觀測窗口的完美材料。
熱管理： 鑽石是地表最強的熱導體之一。它能極快地將熱量從高功率的電子設備或晶片中傳導出去，防止其過熱。
半導體： 鑽石能承受極高的電壓而不崩潰。這使其成為下一代高功率、高頻率半導體的「終極材料」（supreme material）。權威科學期刊《Nature》在2023年曾撰文探討，鑽石半導體在高壓電網和電動車領域的巨大潛力。
超越完美—「工程缺陷」的量子躍進
在過去的幾十年裡，CVD技術的競賽核心是追求「完美」—即製造出化學上最純淨、晶格結構最完整的鑽石。然而，元素六的科學家們指出，這個目標在很大程度上已經達成。
諷刺的是，完美的鑽石晶格（所有碳原子緊密鍵合）通常是電的絕緣體。這反而限制了它的應用。
「對我來說，未來10到15年的重點是，」元素六的科學家表示，「好吧，我們已經擁有了完美的鑽石。現在，我們該如何透過在其中『刻意地工程化改變』，來解鎖它的新潛能？」
這場革命的關鍵詞，叫做「摻雜」（Doping）或「工程缺陷」（Engineered Defects）。
科學家發現，透過在CVD生長過程中，精確地在晶格中植入「雜質」原子，或製造「空缺」，可以從根本上改變鑽石的物理特性。其中最受矚目的，是「氮空缺」（Nitrogen-Vacancy, NV）缺陷。
NV缺陷的構成： 科學家在CVD生長時，控制一個氮原子（N）取代了原本的碳原子，並同時使其晶格旁的下一個位置保持「空缺」（Vacancy, V）。
外觀變化： 這種缺陷的直接光學效應，是使鑽石呈現出獨特的粉紅色。
量子特性： 但真正的魔法在於，這個「NV中心」具有獨特的「量子特性」。它像一個懸浮在固態晶格中的單一原子，其自旋狀態對周圍環境的微小變化極為敏感。
這種敏感性，使其成為有史以來最精確的感測器之一。 「它可以探測到磁場、電場、溫度的極低變化。」
這項特性，直接將鑽石推向了量子技術的最前沿。元素六已基於此技術，在2024年2月推出了其最新的「DNV-B14™」量子級鑽石材料。其應用包括：
量子感測： 用於開發新一代的超高靈敏度磁力計，例如在生物醫學領域，無需低溫冷卻即可探測大腦或心臟的微弱磁場。
量子運算： NV中心可以作為穩定的「量子位元」（qubit），在室溫下運行，是量子電腦的潛在候選者。
第四章：從「利基」到「規模」的競賽—成本與整合的挑戰
元素六的未來，繫於能否將這些尖端技術，從「利基市場」（niche markets）推向「規模市場」（scale markets）。
實驗室的科學家坦言，迄今為止，鑽石的市場角色一直是「利基」的。它在高價值、高難度的領域「解鎖了巨大的潛力」（例如CVD鑽石讓高功率雷射成為可能），但市場的規模「不在於鑽石本身」，而在於「它所賦能的潛力」。
現在，他們希望鑽石本身就能成為一個規模市場，例如半導體或量子設備。但要實現這一目標，仍有三大挑戰：
成本高牆： 矽（Silicon）之所以能統治電子業，是因為它「廉價且廣泛可用」。而高品級的CVD合成鑽石，其製造成本依然高昂。
整合的挑戰： 材料本身再好，也必須能被整合進現有的製造流程中。科學家預計，「它將需要5年、10年、15年才能真正活躍起來。」 成功的關鍵，「既在於材料本身，也在於它如何被整合，以及選擇正確的合作夥伴。」
軍事與極端應用： 元素六目前正與美國國防部高等研究計劃署（DARPA）合作，參與其「LOKI」（金剛石基電路）計畫。其目標是利用鑽石半導體耐高溫、抗輻射的特性，開發能在太空、高超音速飛行器或核反應爐等極端環境下運作的電子系統。這是一個高價值的利基市場，但距離消費級的「規模」仍很遙遠。
駕馭不完美的藝術
元素六的實驗室，代表了材料科學的終極悖論。人類耗費了數十年時間，投入了數十億美元，只為製造出「完美」的鑽石—一種在化學上無懈可擊、結構上無瑕疵的晶體。
而今，他們卻必須回過頭來，學習如何精確地「破壞」這種完美。
這場鑽石的第二次革命，不再是關於硬度或閃耀，而是關於駕馭「缺陷」的藝術。元素六的科學家們正押注於，這些被精密工程所植入的「雜質」與「空缺」，才是解鎖量子運算、終極半導體和未來感測技術的真正鑰匙。他們希望，也深信，這些「不完美」的鑽石，將在未來十年內，定義一個全新的、價值數十億美元的規模市場。
資料來源
Element Six: Element Six launches new general-purpose quantum grade diamond
https://www.e6.com/en/media-centre/press-releases/2024/element-six-launches-new-general-purpose-quantum-grade-diamond
Physics World: Diamond quantum sensors go mainstream
https://physicsworld.com/a/diamond-quantum-sensors-go-mainstream/
Nature (News & Views): Diamond: the ultimate semiconductor?
https://www.nature.com/articles/d41586-023-01730-x
Element Six: About Us (De Beers Group relationship)
https://www.e6.com/en/about-us
DARPA: LOKI Program to Develop Diamond-Based Electronics for Extreme Environments
https://www.darpa.mil/news-events/2023-06-20
Element Six: CVD vs HPHT (Official Technology Page)
https://www.e6.com/en/expertise/synthetic-diamond-growth