钻石（金刚石，Diamond）是碳元素在常压高温下形成的立方晶体（空间群 Fd3̅m），每个碳与 4 个碳呈 sp³ 杂化共价键，构成三维“椅式”网络。它不仅是珠宝，更是工业和前沿科技中不可替代的“终极功能材料”。
晶体与同素异形体
立方金刚石（c-Dia）最常见；另有六方金刚石（lonsdaleite，陨石冲击形成）和近年高压合成的“非晶金刚石”（amorphous diamond，密度 3.3 g cm⁻³，硬度接近 c-Dia）。
与石墨、石墨烯、碳纳米管、富勒烯互为碳同素异形体，但 sp³ 键使其密度最高（3.515 g cm⁻³）。
极端力学-热学性能（室温）
硬度：维氏 70–150 GPa，努氏 80–120 GPa，莫氏唯一 10 级；高压合成的硼掺杂纳米孪晶金刚石（nt-Dia）达 200 GPa。
体弹模量 443 GPa，与 c-BN 并列最高；杨氏模量 1050–1200 GPa，是钢的 5 倍。
热导率：IIa 型（纯碳）最高 2200 W m⁻¹ K⁻¹（室温），是铜的 5–6 倍；同位素纯 ¹²C 钻石达 3320 W m⁻¹ K⁻¹，为所有材料之最。
热膨胀 0.8 × 10⁻⁶ K⁻¹（293 K），声速 18.2 km s⁻¹，均极低/极高。
断裂韧性 3.4–5 MPa·m¹/²，虽硬却脆；纳米孪晶化可提升到 10–15 MPa·m¹/²。
电学与光学
纯钻石是宽禁带半导体 5.47 eV，电阻率 >10¹⁶ Ω·cm；掺杂硼（p 型）、磷（n 型）可分别实现 10¹⁹ cm⁻³ 载流子浓度，空穴迁移率 1800 cm² V⁻¹ s⁻¹。
击穿场强 10 MV cm⁻¹，Johnson 优值 3 × 10⁴（SiC 的 30 倍），适合高功率、高频器件。
光学：透过 225 nm 远紫外到 >25 μm 远红外（除 2.5–6 μm 多声子吸收带），折射率 2.417（589 nm），色散高（Abbe 55）→ 宝石“火彩”。
荧光缺陷：NV（氮-空位）中心 637 nm，可用作单光子源、量子比特，室温自旋相干时间 ~1 ms。
合成技术（工业可达 150 mm 晶圆）
高温高压（HPHT）：5–6 GPa、1300–1600 °C，金属触媒 Fe-Ni-Co，生长速率 10–20 mg h⁻¹，用于磨料、大颗粒单晶（>10 ct）。
化学气相沉积（CVD）：800–1000 °C、10–100 mbar，CH₄/H₂ 微波等离子体，同质外延在 3 × 3 mm² 至 150 mm 晶圆，缺陷密度 <5 × 10¹³ cm⁻³，电子级用于功率器件。
爆炸冲击与激光烧蚀：纳米金刚石（5–10 nm），吨级产率，抛光、药物载体。
产业应用（2023 年全球钻石市场 320 亿美元，其中工业 45 亿）
超硬加工：PCD（聚晶金刚石）刀具切削 Al-Si 合金、碳纤维复合材料，寿命比硬质合金高 50–100 倍；金刚石拉丝模占全球 95 % 份额。
石油/地质钻头：热稳定金刚石（TTI，含 Si）在 1200 °C 仍保持刃口，深井钻进寿命提高 3–5 倍。
散热：高导热热沉片（CVD 膜 0.3–1 mm）用于 GaN 5G 基站 PA、激光二极管，热点温度降 15–30 °C；华为 2021 起批量采购。
半导体：金刚石肖特基二极管 2 kV/1 A，结温 300 °C 仍工作；日本 AIST 2023 发布 10 kV 金刚石 MOSFET，导通电阻 3 mΩ·cm²，优于 SiC 理论极限。
辐射/粒子探测：金刚石 PIN 二极管在 10¹⁶ n cm⁻² 快中子注量后仍线性响应，用于 ITER 托卡马克聚变堆原位监测。
量子器件：NV 中心量子存储器，相干时间 1 ms，已实现 10 节点量子网络演示；德国乌尔姆大学 2024 实现金刚石微波-光学量子接口。
生物与医药：纳米金刚石表面羧化后可负载阿霉素，pH 触发释放，小鼠肿瘤抑制率提高 40 %，已进入临床 II 期。
高端音响与散热膏：100 nm 金刚石粉加入硅脂，热导率从 5 提升到 11 W m⁻¹ K⁻¹，DIY 市场高端型号售价 200 美元/克。
前沿方向
晶圆级金刚石异质集成：SiC/金刚石、GaN/金刚石键合，目标 10 kV 以上超高压功率模块。
相变诱导“金属氢-金刚石”复合电极，实现 150 GPa 下室温超导引线封装。
激光诱导石墨-金刚石相变写入三维纳米导电-绝缘混合电路，用于单片量子-经典混合芯片。
硼掺杂纳米孪晶金刚石（B-nt-Dia）超导（Tc ≈ 4 K）与超硬一体，探索极端条件下的“量子极限”功能材料。