金刚石具有最高的声传播速度和极高的杨氏模量, 以及优异的机械和化学性能, 在声学方面具有广阔的应用前景。
一、金刚石声学特性
金刚石在声学方面的应用主要是利用其高声速、低密度、高弹性模量、机械强度和热导率特性。立方晶体材料的弹性特性由其3个二级弹性常数, C11, C12, C44和密度ρ决定。声速可通过弹性常数和密度计算出。 计算结果见下表。VL = √( C11 /ρ), VT = √( C44 /ρ), ( VL, VT分别为纵波和横波声速)。
Materials | VL( km/s) | VT( km/s) |
Diamond | 17.52 | 12.82 |
cBN | 15.4 | 11.8 |
4H-SiC, 6H-SiC | 12.5 | 7.1 |
3C-SiC | 9.5 | 4.1 |
Silicon | 8.43 | 5.84 |
ATcutquartz | 5.96 | 3.31 |
PZT | 4.5 | 2.2 |
AlN | 11.37 | 6.09 |
ZnO | 6.33 | 2.88 |
由弹性常数得到的各种材料沿[100]方向的纵波(VL)和横波(VT)声速
通常以 A=2C44 /( C11 -C12 )表明立方晶体材料的各向异性情况, 金刚石相对于Si,GaAs,Cu等材料的各向异性较弱。金刚石的声学性能主要由弹性常数、密度以及声速等决定。
二、声表面波特性
自1885年Rayleigh发现了固体表面的声表面波( SAW)现象以来, 有关应用也获得发展,声表面波器件就是其中之一。SAW沿固体表面传播的衰减很小, 但在垂直于表面的方向上迅速衰减。SAW主要包括 Rayleigh波(瑞利波 ), Shear波(SH,剪切波), Love波(Q波),Lamb波以及SH-APM(水平剪切型声板波)等。目前在电子行业广泛应用的 SAW滤波器, 就是利用瑞利波的特性。通过激光超声技术激发声表面波方法可以研究金刚石声表面波特性。激光在表面激发的瑞利波和兰姆波的频率为几百MHz, 信号由具有压电效应的 PVDF(聚偏氟乙稀 )箔探测 研究结果表明, 不同质量的金刚石膜 SAW速度也不同, 黑色金刚石膜SAW速度为10605 m/s, 白色金刚石膜为11790 m/s, 而高定向金刚石膜(001)可达到11900 m/s。形核面速度要高于生长面, 这可能与两个面的应力和密度差异有关。
三、金刚石膜声学应用
1.钻石振膜与其他振膜材料比较金刚石膜的优势突出,其声速 、最高的杨氏模量和低的密度等性能远高于金属铍。英国宝华( B＆W)的顶级系列-800系列落地音箱中的高音扬声器所用的振膜, 就是全晶质金刚石（CVD金刚石）, （最新产品为B&W 803 D4）如下图。德国Thiel＆PartnerGmbH也有同样产品。
B&W 803 D4
一般人类听觉的频率范围为16～20 kHz, 超过 20 kHz声音为超声波, 人耳无法听到。但是作为声音重放设备,其频率响应范围应当大于实际听觉范围。这是因为声音是由低频的基音和高频的泛音组成,基音决定了旋律, 而高音决定了音色。作为高保真音响, 当然要反映出逼真的音响效果。因此这些泛音的频率越丰富, 音色也就越逼真。金刚石高音扬声器的频率响应已经达到了 60kHz,远远超出了人耳的听觉范围, 但对音色的完整性起到了非常重要的作用 。
金刚石振膜频率响应曲线
2. SAW滤波器
SAW滤波器在现代信息设备中不可或缺(如手机, 电视, 网络终端等 ),市场容量巨大。而高频SAW器件的开发, 将大大推动高速大容量通讯系统的发展。
3. 声传感器
声传感器主要通过共振响应的变化来测定。对于机械应力, 温度, 阻尼和质量负荷等的变化应有很高的敏感性。声传感器应用可分为体波(BAW)器件, 表面波(SAW)器件以及微悬臂梁。
金刚石的声学应用主要是利用了金刚石的低密度,高弹性模量,高强度, 高热导率, 化学惰性和生物相容性等优异特性。化合积电致力于金刚石材料生产研发，推动金刚石在声学领域应用，核心产品包括金刚石晶圆，金刚石热沉片，金刚石光学窗口，金刚石异质集成复合衬底等，其产品在金刚石振膜、SAW滤波器等均有应用。
