鉆氟超滑面與鉆石感測(cè)器.doc

鉆氟超滑面與鉆石感測(cè)器 鑽氟超滑面與鑽石感測(cè)器文/宋健民摘要鑽石的表面的原子密度(1.11017/cm2)遠(yuǎn)高於其他物質(zhì)，若在其上吸附氟原子可形成超堅(jiān)硬、超滑溜、超抗蝕及超疏水的表面。 鑽石表面能吸附氣體，利用其聲波衰減的幅度可製成氣體含量的感測(cè)器。 鑽石表面也可牢固的吸附DNA或蛋白質(zhì)，以雷射快閃(Laser Flash)傳聲速度的衰減可計(jì)算出吸附有機(jī)質(zhì)的分子量。 鑽石吸附的DNA或蛋白質(zhì)也可組成超高速的計(jì)算機(jī)，可以進(jìn)行大量的平行運(yùn)算。 摩擦與面粗摩擦係數(shù)(Coefficient ofFriction或COF)為摩擦阻力與其垂直方向施力(正壓力)的比值。 摩擦阻力為接觸平面沿介面橫移時(shí)的阻力。 橫移時(shí)表面越粗糙其間的衝撞越劇烈，這種間斷滑動(dòng)(Stick Slip)會(huì)加大彼此的阻力。 圖一兩個(gè)接觸面的正壓力較小時(shí)彼此接觸有限，所以摩阻較小(上圖)；正壓力加大後兩面突出處擦碰的力道提高使其間的摩阻上昇(下圖)。 粗糙的表面若以超聲的頻率橫移振盪則可使其近乎連續(xù)的接觸。 由於碰撞的程度減少，兩面橫移其間的摩阻可以大幅降低。 以超聲振盪也可降低切削阻力及減少切面的損傷。 例如日本的Disco就以超聲振盪薄刀輪(Dicing Wheel)使其劃分晶圓時(shí)的切溝更為平整。 圖二間斷摩擦可以超聲振盪變成連續(xù)滑移，亦即碰撞的粗面已改為滑面的接觸，所以大幅降低了其間的摩擦阻力。 摩擦係數(shù)若接觸的兩個(gè)平面都很細(xì)緻，橫移時(shí)面間突出物的阻擋可以忽略，這時(shí)的阻力主要來自表面原子外圍電子位移時(shí)彼此的拉扯，即所謂的凡得瓦(Van derWaals)力。 通常表面原子的價(jià)電子數(shù)目越多，則面間的摩擦係數(shù)就越大。 若材料相同，接觸面也很平滑，則摩擦係數(shù)會(huì)隨材料硬度的加大而提昇；但硬度超過一臨界值後，摩擦係數(shù)卻反而會(huì)降低。 超硬材料(如鑽石)之間的摩擦係數(shù)很低，它和極軟物質(zhì)(如鐵氟龍，Teflon)者差不多，但兩者摩阻產(chǎn)生的機(jī)制卻完全相反。 超硬介面的摩阻較小乃因?yàn)楸砻婵杀纫话悴牧细交?，極軟介面摩阻偏低則由於表層原子容易被拉扯離產(chǎn)生塑性變形之故。 圖三為摩擦係數(shù)和材料硬度的正相關(guān)及逆相關(guān)。 鑽石鍵鑽石原子(碳)的外圍有4個(gè)價(jià)原子，它們可以形成具有四面體結(jié)構(gòu)的鑽石鍵(sp3)。 鑽石晶格原子的堆積密度(約1/3)比最密堆積(配位數(shù)=12)的鐵(約2/3)要鬆得多；然而鑽石原子奇小(1.52?)，其單位體積內(nèi)的原子數(shù)(1.81023/cm3)反而比鐵大兩倍以上。 事實(shí)上就因?yàn)殍嵤脑用芏茸罡咚抛钣玻灰惨驗(yàn)槿绱?，鑽石可以成為最平滑的表面?尤其是鑽石的八面體面(Octahedral Face，即111面)，它更是所有材料(包括鑽石本身)最平滑的表面，其原子之間的高低差只有鑽石原子直徑(1.54?)的1/3。 圖四鑽石的 (111)面在所有材料平面中高低差最小(Ra=0.5?或0.05nm)而且原子的排列最緊密(3.11015/cm2)。 純鑽石的立方體面上的原子有兩個(gè)搖擺的電子，而八面體面上的則只有一個(gè)，所以前者的摩擦係數(shù)較高，也易和其他元表反應(yīng)；後者的摩擦係數(shù)較低，尤其在氫化或氟化(見後述)之後，它可成為極穩(wěn)定的超滑溜表面。 圖五鑽石立方體面 (100)的碳原子有兩個(gè)搖擺電子(左圖)，但八面體面 (111)的碳原子則只有一個(gè)；所以後者比前者摩擦係數(shù)小，而且比較不容易和其他原子反應(yīng)，即其化學(xué)惰性較大。 鑽石的價(jià)電子(Valence Electrons)在晶格內(nèi)都已形成共價(jià)鍵，由於電子都被綁住，它們不能自由流動(dòng)，鑽石乃成為絕緣體。 然而鑽石的表面原子其搖擺(Dangling)的價(jià)電子很活潑。 在真空下這些電子會(huì)彼此拉扯，既使鑽石的表面極其平滑，其間的摩擦係數(shù)仍然不低。 然而通常鑽石的表面吸附了一些氣體(如H、O、N)，所以電子搖擺的數(shù)目並不多，這時(shí)鑽石平面對(duì)滑的摩擦係數(shù)就可降低至0.1以下，與柔軟的鐵氟龍差不多。 鑽石的雜質(zhì)鑽石的原子很小，通常只能被週期表左(硼)右(氮)兩側(cè)元素的原子取代。 硼、碳、氮原子的價(jià)子數(shù)各為 3、4或5；它們混成的電子軌道分別是sp2(平面)，sp3(四面體)及sp4(三角錐)。 碳原子的四面體鍵可形成鑽石的晶格，但硼原子的平面鍵必須扳褶而氮原子的三角錐鍵則要撐開才能取代碳的四面體鍵。 由於取代時(shí)分子鍵必項(xiàng)變形，所以鑽石晶格內(nèi)被硼或氮原子取代的比率只在1以下。 然而，當(dāng)硼與氮原子雙雙取代一對(duì)碳原子時(shí)，鑽石的晶格可以完全被置換而不改變其結(jié)構(gòu)，這就是立方氮化硼。 圖六鑽石和立方氮化硼為異質(zhì)同形體，它們具有相似的晶格。 鑽石的 (111)面上有搖擺的電子(左圖)，但立方氮化硼則無(右圖)，所以後者的摩擦係數(shù)更低，而且惰性較大。 立方氮化硼既使在高溫下也不易和鋼鐵合金反應(yīng)變成柔軟的非鑽石碳。 所以鑽石削鐵無力，但立方氮化硼卻能削鐵如泥。 鑽石八面體面 (111)間的距離較大(1.52?)，可以容忍少了一個(gè)價(jià)電子的硼原子，所以硼原子較容易分佈在八面體面上。 鑽石是絕緣體，硼的原子取代碳原子形成一個(gè)缺電子的電洞，也就是P型的半導(dǎo)體。 由於硼原子少了一個(gè)價(jià)電子，在鑽石的八面體表面上沒有搖擺的電子。 所以含硼的鑽石不僅摩擦係數(shù)較低，而且它的惰性較大，比較不容易被氧化或和鐵族金屬反應(yīng)。 氮原子多了一個(gè)價(jià)電子，其中兩個(gè)會(huì)抱在一起形成穩(wěn)定的孤電子對(duì)(Lone Pair)。 它的電荷斥力會(huì)迫離鄰近的碳原子，所以氮原子嵌入鑽石晶格時(shí)會(huì)伴隨一個(gè)空位(Vacancy)，稱為N-V組合。 這個(gè)組合常嵌在鑽石的立方體面 (100)之間。 由於 (100)面上的接觸電子較多，N原子容易吸附形成空位，所以垂直 (100)面的鑽石生長(zhǎng)最快。 鑽石線鑽石鍵(sp3)若不形成立體晶格時(shí)可組成五花八門的有機(jī)材料，例如烷類(-CH2-CH2-)就是一條鑽石的原子項(xiàng)鍊；其中最簡(jiǎn)單的是甲烷(CH4)，它其實(shí)是含單原子的鑽石。 甲烷像是鑽石的天燈，其碳原子乃坐在氫氣球的中心。 甲烷分子四角處的氫原子帶正電會(huì)彼此排斥，這些分子乃成為懸浮的鑽石氣體。 分解的甲烷可以化學(xué)氣相法(CVD)沈積出鑽石膜(Diamond Film)，或以物理氣相法(PVD)披覆在材料的表面形成類鑽碳(Diamond Like Carbon或DLC)的保護(hù)膜。 若烷類的氫原子被氟原子取代則可形成氟化鑽石的原子線，這就是鐵氟龍(Teflon)的分子。 由於氟原子比氫原子重得多，鐵氟龍乃在低溫成為固體。 圖七鐵氟龍(Teflon)為聚合的四氟化乙稀(Poly TetraFluoro Ethylene或PTFE，-CF2-CF2-)，其碳原子其實(shí)是線性的類鑽碳(Diamond-Like Carbon或DLC)。 環(huán)繞鑽石線的氟原子其價(jià)電子具有穩(wěn)定的八偶體，它們會(huì)彼此排斥以致使鑽石線之間難以接近，鐵弗龍就靠這種互相隔離的鑽石線成為柔軟的滑溜材料。 鐵氟龍是常用的鍍膜材料，可披覆在軸承面上乃至炒菜鍋底。 鐵氟龍不僅滑溜(摩擦係數(shù)0.02)，而且惰性奇大，不和腐蝕性的液體或氣體反應(yīng)。 除此之外，鐵氟龍還強(qiáng)烈斥水(Hydrophobic)，它甚至比荷葉更難被水潤(rùn)溼。 可惜鐵氟龍?zhí)彳洠菀妆还蝹?鐵氟龍的熔點(diǎn) (327)不高，它的強(qiáng)度也偏低(10Mpa即可壓薄10%)，所以鐵氟龍的鍍膜並不耐用。 更有甚者，鐵氟龍的熱膨脹係數(shù)(100PPM/)比一般的鋼材大近十倍，而它的熱傳導(dǎo)率(0.2W/mK)卻低得離譜，比鋼低了千倍。 由於熱漲冷縮的幅度很大，鐵氟龍鍍膜在溫度改變的環(huán)境下會(huì)因機(jī)械疲勞(Mechanical Fatigue)而自基材剝離。 上述鐵氟龍的諸般缺點(diǎn)在滲入奈米(如10nm)級(jí)的鑽石後都可排除。 鑽石不僅超硬，而且超強(qiáng)(抗壓可至100Gpa)。 鑽石在空氣中加熱至600以上會(huì)開始氧化，但氟化後反而不易氧化。 鑽石的熱膨脹係數(shù)只有1.5PPM/而熱傳導(dǎo)率則可高達(dá)1000W/mK，在高溫下噴水時(shí)含奈米鑽石的鐵氟龍不會(huì)破裂也不致自基材剝離。 奈米鑽石和鐵氟龍的性質(zhì)非常互補(bǔ)，這種鑽氟龍的複合材料乃鍍膜的極品。 由於鑽石的摩擦係數(shù)可比鐵氟龍更低，因此鑽氟龍是軸承面或熱滑面極緻的保護(hù)膜。 氟化DLC(Fluorinated DLC)DLC是堅(jiān)硬滑溜的保護(hù)膜，它已大量披覆在民生用品(如剃刀片)或工業(yè)產(chǎn)品(如硬碟)上。 DLC若含氫，它的硬度會(huì)降低。 純碳的DLC包括無晶鑽石(Amorphous Diamond)，其原子結(jié)構(gòu)含扭曲的四面體(Distorted Tetrahedra)，故又稱為無晶四面體碳(Tetrahedral AmorphousCarbon或tac)。 無晶鑽石內(nèi)也含類石墨鍵(Graphitic Bond)；若類石墨鍵的比率低時(shí)(如1GPa)的壓應(yīng)力使其自張應(yīng)力(拉伸)的基材(如鋼)表面剝離。 圖八無晶鑽石在極大的壓應(yīng)力下會(huì)自基材(N55)剝離並在壓力解除下急劇伸展形成皺褶。 然而若無晶鑽石鍍膜內(nèi)滲入矽則可降低壓應(yīng)力並提高鍍膜的附著力。 圖九無晶鑽石內(nèi)加入若干矽能強(qiáng)化其附著強(qiáng)度，在重複摩擦的實(shí)驗(yàn)中會(huì)顯著延長(zhǎng)鍍膜的壽命，測(cè)試的正力為4.9N而速度為1.2cm/s(文獻(xiàn)1)。 無晶鑽石的表面吸附氟則可大幅降低其與金屬的摩擦係數(shù)，這種鑽氟的鍍膜可減少基材的刮傷，所以能延長(zhǎng)工件的使用壽命。 除此之外，滲氟的無晶鑽石也比較緻密，它可以避免工件受到酸液或其他藥劑的侵蝕。 但若滲氟的程度太高以致開始形成鐵氟龍，無晶鑽石會(huì)變得太軟而失掉了保護(hù)膜的功能。 圖十矽化DLC鍍膜內(nèi)加入氟原子可大幅降低表面刻痕的深度(文獻(xiàn)1)。 氫化的無晶鑽石帶正電而氟化的卻帶負(fù)電；同質(zhì)的鍍膜會(huì)相斥，但異質(zhì)則會(huì)相吸。 氫化及氟化的無晶鑽石都疏水。 氟化的無晶鑽石具有最密的電子雲(yún)，所以它的疏水性最強(qiáng)，它也是最難沾粘的表面，可比出污泥而不染的荷葉更乾淨(jìng)。 圖十一表面吸附氧原子的DLC氟化後它的惰性大增，而原來的親水則變成疏水(文獻(xiàn)1)。 氫化DLC(Hydrogenated DLC)鑽石表面會(huì)被氫鈍化並降低了摩阻，因此披覆DLC的氣體原料的含氫量越高，則其鍍膜的摩擦係數(shù)就越低。 圖十二鍍膜氣體中氫的含量越高，則DLC的摩擦係數(shù)會(huì)越低。 不含氫DLC的摩擦係數(shù)雖大，但其表面的搖擺電子可以吸附奈米厚的特殊潤(rùn)滑油，這樣摩擦係數(shù)就會(huì)比含氫DLC更低。 圖十三DLC表面吸附一層奈米厚的特殊機(jī)油可將摩擦係數(shù)減半。 披覆這種DLC氣缸的引擎會(huì)減少耗油量及延長(zhǎng)使用壽命。 表面吸附氧的DLC(如無晶鑽石)其摩擦係數(shù)也很低。 但氧會(huì)吸引水氣，因此摩擦係數(shù)會(huì)因空氣中相對(duì)濕度的增加而提高。 圖十四無晶鑽石摩阻會(huì)因受潮而變大。 氫化DLC可披覆在真空包裝的塑膠袋表面封住氣孔避免空氣逐漸滲入。 這種保護(hù)膜也可以鍍?cè)赑ET瓶子內(nèi)避免內(nèi)裝飲料(如啤酒)的變質(zhì)，這樣就可取代較昂貴的金屬容器(如鋁罐)。 氫化DLC更可以成為金屬刀具或成形模具的保護(hù)膜。 它甚至可鍍?cè)谛呐K的閥片上防止血小板的沾黏，它也能封住人工心臟泵的推進(jìn)膜阻擋矽膠推進(jìn)液滲入血液中。 圖十五人造心臟閥的粘血量及人造心臟膜的滲膠量在鍍DLC後可大幅降低。 鑽氟龍(Diamond Teflonor Dialon)氟的原子有七個(gè)價(jià)電子，而氫原子則只有一個(gè)價(jià)電子；C-F鍵有六個(gè)多餘的價(jià)電子可形成三個(gè)穩(wěn)定的孤電子對(duì)，而且它們互為錡角固若金湯，所以極難將氟自鑽石表面拔除。 相形之下，C-H鍵本來就比C-F鍵弱約兩成，氫原子並無任何孤電子對(duì)，就比較容易被拉扯而自鑽石表面分離。 做為穩(wěn)定的硬滑面並不需要將鑽石混入鐵氟龍而只需將氟原子吸咐在平滑的鑽石表面就可以了。 由於氟原子只有一層而且C-F鍵比鑽石本身的C-C鍵還強(qiáng)約一半，所以這個(gè)滑溜面其實(shí)仍為鑽石的超硬面，這是名符其實(shí)的鑽氟龍。 兩個(gè)鑽氟龍的平面對(duì)滑時(shí)，其間氟原子的孤電子對(duì)會(huì)以靜電斥力硬行將彼此撐開，因此鑽氟龍間的摩擦係數(shù)會(huì)低於0.001，比吸附氫原子的(Hydrogen Termination)鑽石膜(0.01)還低。 披覆鑽氟龍的軸承面甚至比水還滑溜，這種幾乎沒有摩阻力的軸承面不僅能在極低的能量下運(yùn)轉(zhuǎn)，它們也像披上金鐘罩一樣不易磨損。 除此之外，鑽佛龍也可保護(hù)工件表面不致被酸水或鹼液侵蝕。 圖十六鑽石的菱形十二面體面(Dodecahedral Face，即110)上吸附氫原子會(huì)疏水(Hydrophobic)(左圖)，該面舖滿氟原子就更疏水。 鑽石表面吸附氧原子則變?yōu)橛H水(Hydrophilic)(右圖)。 同質(zhì)端面的鑽石面會(huì)彼此以電子排斥，大幅降低其間的摩阻力。 若氫或氧被氟取代，兩個(gè)氟化的鑽石面間的摩阻是所有材料中最低的(0.001)，它們面間根本不接觸，有如磁浮，因此鑽氟龍是電腦硬碟(HD)與巨磁阻(GMR)讀取頭表面最理想的鍍膜。 圖十七氫端鑽石面會(huì)彼此推開而降低面間的摩阻(左圖)，氟端鑽石面的電子斥力更會(huì)加大面間的距離使其間的摩阻幾乎消失(右圖)。 圖十八疏水與親水的鑽石介面接觸時(shí)會(huì)互相以水鍵(Hydrogen Bond)吸引使其橫移的阻力加大；但它們彼此仍可以垂直分開有如多次貼的膠帶，但卻可長(zhǎng)期使用不致?lián)p壞。 疏水或親水鑽石的表面若成為單鍵，如吸附H或F原子，就不易和水形成氫鍵，所以這種表面會(huì)疏水或親油。 但若鑽石表面有雙鍵(石墨鍵或sp2)則電子會(huì)移動(dòng)，這時(shí)表面就能吸水及斥油。 疏水的鑽石表面可以UV照射而變得親水，這時(shí)表面碳原子會(huì)產(chǎn)生較多的游離電子，這種金屬性可以和水形成氫鍵。 鑽石在空氣中加熱至600以上時(shí)開始氧化。 若它在真空內(nèi)加熱至1000會(huì)逐漸石墨化，這些變化都會(huì)使鑽石變得親水。 鑽石表面吸附的氣體在加熱時(shí)可以被置換，例如表面吸附的氧原子在氫氣下會(huì)被取代，這時(shí)鑽石會(huì)由親水性變成疏水性。 圖十九次微米鑽石粉的FTIR光譜顯示親水的鑽石在真空中加熱至600以上可以氫化(左圖)或氮化(右圖)使其變成疏水(文獻(xiàn)2)。 由於氣體分子分離成原子的能量不同，而且與鑽石成鍵的傾向有異，氣體原子蓋在鑽石表面的難易及其被置換的溫度差別很大，例如氟氣的解離能很低，但與鑽石的化合能很高，所以氟化鑽石表面的溫度只需約200，但鑽氟鍵的穩(wěn)定性可高達(dá)1000。 相反的，氫氣的原子不容易產(chǎn)生而原子附在鑽石的表面也不如氟原子穩(wěn)定，所以在600以上鑽石表面可以氫化，而在800左右吸附的氣體也可被置換。 表一氣體分子的結(jié)合能(Kcal/mole)H2104C283S260Cl258Si253O247Br46N239I236表二鑽石表面吸附原子的能量(cal/mole)F103H91OH91O86C80Cl79OCH378N73Sr72S65Br63I50鑽石的表面也可以界面活性劑改變疏水性或親水性，例如NP-9就可使黏油的鑽石變成濕水。 圖二十鑽石的表面可以NP-9吸附端的改變由親水變成疏水。 鑽石感測(cè)面鑽石的表面含有最密集的原子，這些原子極小，所以它可以形成最整齊的平面。 不僅如此，表面的碳原子可以吸附氣體原子，如果能精準(zhǔn)的量測(cè)氣體在鑽石平面的覆蓋量，就可以確定吸附原子的成份。 含硼的鑽石為電阻體它可以通電加熱。 它的表面可鍍上一薄層同質(zhì)磊晶的鑽石膜。 將含硼鑽石在真空裏(如10-6torr)加熱至800以上持溫一小時(shí)可將鑽石的表面淨(jìng)化，這樣就可以恢復(fù)表面碳原子搖擺的電子。 若將純淨(jìng)的鑽石表面曝露在空氣裏並加熱至約400，則其表面被氧覆蓋的速率與空氣內(nèi)氧的分壓成正比，因此鑽石可用來偵測(cè)空氣中氧氣的含量。 量測(cè)氧的覆蓋量不需複雜的分析儀器，只要在鑽石表面的兩端鍍上一薄層壓電材料(如PZT)，再在其上披覆一薄層金屬(如鋁)做為電極就可以了。 量測(cè)時(shí)只要將一端通電使壓電材料振動(dòng)再在另一端量測(cè)振動(dòng)產(chǎn)生電壓的時(shí)間就可以精確計(jì)算鑽石表面聲波(Surface AcousticWave或SAW)的速度。 鑽石SAW(10Km/Sec)的傳遞速度遠(yuǎn)超過其他材料。 由於SAW與表面吸附氣體質(zhì)量的平方根成反比，所以量測(cè)鑽石SAW在表面的傳遞時(shí)間就可算出其面上負(fù)載氣體原子的數(shù)量。 以含硼的鑽石為導(dǎo)體通電可以加熱至固定溫度可以排除或吸附特定的氣體，這個(gè)方法可在不同環(huán)境(如礦坑)偵測(cè)氧、氫甚至氟氣的含量。 當(dāng)然這些氣體也可以吸收光譜測(cè)定，但SAW不需使用儀器而可以就地量度，所以更為簡(jiǎn)便。 圖二十一鑽石 (110)面上吸附氧原子的示意。 氧原子的數(shù)量可由鑽石表面聲波減速的幅度算出。 鑽石超密儲(chǔ)存體鑽石表面吸附的氟或氫原子對(duì)氧原子會(huì)吸引或排斥。 以無晶鑽石披覆原子力顯微鏡的探針(如Si3N4)再將含氧離子的電漿透過?？紫骷猓@個(gè)表面吸附氧原子的無晶鑽石探針佈滿了氧的孤電子對(duì)(每個(gè)氧原子有兩對(duì)或四個(gè)價(jià)電子)，所以它帶負(fù)電，可成為最敏感的資訊讀取針。 在真空下把它滑過吸附氫或氟原子鑽石的 (111)面可感測(cè)到吸引或排斥的微弱電壓，這樣就可讀取1或0的兩個(gè)位元(Bit)，這是電腦資訊最密的儲(chǔ)存設(shè)計(jì)。 數(shù)位的資訊(0及1)可以磁極的NS儲(chǔ)存(如電腦的硬碟)，或以電荷的電容記憶(如DRAM)。 數(shù)位資訊密度的極限乃以原子為單位儲(chǔ)存，鑽石的 (111)面具有最密的原子(1015/cm2)，它也是最平的表面，H或F原子可吸附在鑽石的 (111)面成為端子，而其吸附強(qiáng)度極高，加上 (111)面是超硬材料的最硬面，因此即使在碰撞時(shí)位元也不虞刮掉，這是資料儲(chǔ)存的夢(mèng)幻境界。 圖二十二氟及氫原子儲(chǔ)存的資訊位元比現(xiàn)有的任何儲(chǔ)存體的密度都高萬倍以上。 單層的奈米碳管(Single WallCarbon NanotubeSWNT)滑過鑽石表面也可讀取資訊，由於H端為質(zhì)子，它可吸引SWNT的端點(diǎn)電子；而F端為密集的電子雲(yún)，它會(huì)排近SWNT的端點(diǎn)電子。 因此由SWNT另端電場(chǎng)的高低就可判別讀取的資訊為1(H)或0(F)。 除了以電場(chǎng)感應(yīng)外，也可以SWNT當(dāng)做原子力的探針在鑽石的表面滑動(dòng)感受到的斥力或彎度讀取原子為H或F。 除了以SWNT接觸式的觀察鑽石的表面狀態(tài)之外，也可以無晶鑽石隔空感應(yīng)H或F原子。 前面談及無晶鑽石為原子排列熵值(Configurational Entropy)最高的物質(zhì)，這個(gè)熵值乃反映在原子外層電子位能微小的差異上。 金屬材料電子位能乃重合成為能帶(Energy Band)所以電子多留在基態(tài)。 而絕緣材料的電子位能則具有能隙(Energy Gap)，在其間電子不能停留。 在低溫下金屬內(nèi)的電子太多不易吸收或放出遠(yuǎn)紅外線，而絕緣體電子太少熱振動(dòng)的聲子則跨不過能隙；然而無晶鑽石內(nèi)的電子不多也不少，而且各具獨(dú)特(Discrete)的能量，可以輕易吸收或放射微弱的熱能。 除了可以黑體吸放熱能以外，無晶鑽石的能隙密集，它們也可以導(dǎo)電及傳熱。 圖二十三無晶鑽石堆積的原子具有最亂的結(jié)構(gòu)，這是具有最高能量的超熵(Super entropy)材料，超熵的無晶鑽石可以在內(nèi)部傳熱，也能隔空輻射紅外線；它是最佳的黑體，在常溫下也能吸收及放射熱能。 鑽石表面的H端沒有電子而F端滿佈電子，所以鑽石表面的熱能多由F端吸收或放射。 無晶鑽石探計(jì)隔空掃描鑽石表面會(huì)在F端產(chǎn)生感應(yīng)。 若鑽石稍微加熱，無晶鑽石會(huì)吸收F端射出的遠(yuǎn)紅外線，而當(dāng)鑽石稍為冷卻時(shí)無晶鑽石又可發(fā)射遠(yuǎn)紅外線使其吸收。 無晶鑽石發(fā)射或吸收遠(yuǎn)紅外線都會(huì)產(chǎn)生微量的電位差，這個(gè)差異可用以對(duì)應(yīng)鑽石表面的H或F，因此可以非接觸的隔空讀取資訊。 鑽石DNA晶片鑽石的原子為碳，而碳正是細(xì)胞結(jié)構(gòu)的骨幹。 鑽石的表面可以吸附氨基酸、血小板、酵素、抗原體、蛋白質(zhì)、DNA等。 由於鑽石的剛性最大，而且表面吸引有機(jī)物的附著甚牢，幾乎不受環(huán)境(冷熱或酸鹼)的影響，因此鑽石可以或?yàn)樯锞臉O品。 以光化學(xué)或電化學(xué)的反應(yīng)可先把功能基(Functional Radical，如Alkene或Benzen)固定，這些功能基的作用有如船錨，可以栓住飄泊的船隻。 將掛滿這種船錨的鑽石膜在懸浮有機(jī)物的濃湯裏浸泡，這些功能基就可以抓住特定的有機(jī)物(如DNA)。 DNA的螺絲扶梯含磷酸根(PO4=)，因此會(huì)帶負(fù)電。 鑽石的表面為平衡電位差則會(huì)帶正電。 單股的DNA和雙股的DNA其間有接近3mV的電位差，這個(gè)電位差可以鑽石本身製造的場(chǎng)效電晶體(Field EffectTransistor)在極小的範(fàn)圍內(nèi)偵測(cè)出來。 單股的DNA在鑽石表面的排列密度可高達(dá)1015/cm2比雙股者高百倍以上，在微米的範(fàn)圍內(nèi)其電位差可以清楚辨認(rèn)。 這種DNA晶片可製成配對(duì)的DNA計(jì)算機(jī)，它能同時(shí)進(jìn)行大規(guī)模的平行運(yùn)算，其速度會(huì)超前現(xiàn)行最快的超級(jí)電腦。 除此之外，DNA的計(jì)算乃以化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行，所以它不但不耗電，也沒有電晶體因快速開關(guān)(如4GHz)而急遽加熱的問題。 圖二十四鑽石晶片可製成DNA計(jì)算機(jī)。 鑽石晶片除了可以將DNA配對(duì)以外，還可以精確的量測(cè)DNA的分子量。 例如以雷射(如NdYAG)閃擊鑽石面的一端使其產(chǎn)生聲子，聲子的SAW到達(dá)另一端時(shí)可以精密的紅外線儀偵測(cè)到昇溫的剎那。 由這個(gè)SAW傳遞的時(shí)間可反推出鑽石表面吸附體的總質(zhì)量；如果功能基已滿載，則載體的分子量就可以算出來。 分子量可顯示載體的成份。 這個(gè)方法可用以區(qū)別DNA(如用於犯罪學(xué)的鑑定)或過敏原(如用於氣喘病的治療)。 吸附的DNA特性也可以螢光劑標(biāo)示或以反射光譜的吸收帶鑑定。 鑽石造血器鑽石表面超級(jí)平滑而且可以牢固的吸附原子。 如果鑽石的表面排列DNA的鹼基(A,P,T,G)可平舖成二維的生物密碼，這種平面的圖像比生物一維DNA的雙螺旋所含的資訊會(huì)密集百萬倍以上。 尤有進(jìn)者，以二維的DNA面板製造蛋白質(zhì)可以同時(shí)平行組合胺基酸，這樣就比細(xì)胞內(nèi)按序接合胺基酸要快上百萬倍。 因此鑽石的表面可以當(dāng)做超快速的蛋白質(zhì)工廠，它比細(xì)胞內(nèi)Ribosome以RNA為模板再串接胺基酸有效率多了。 這種鑽石生物晶片可製造各種酵素、抗體，乃至血小板等。 圖二十五鑽石最密的八面體面 (1