港大团队发现超薄金刚石薄膜表现出可重复压电效应，颠覆百年认知

一百多年来，金刚石在全球科学界被归类为非压电材料。尽管金刚石拥有极高硬度、高声速、超高热导率和超宽带隙等卓越特性，但它在微机电系统（MEMS）中始终只能充当被动机械支撑或散热材料，从未被视为主动功能器件。"用金刚石发电"这一想法曾被许多人认为不切实际。

如今，这一假设被彻底推翻。由香港大学褚智勤教授（电气与计算机工程系副教授）和林原教授（机械工程系教授）领衔的研究团队，在超薄、超柔性多晶金刚石薄膜中发现了显著且可重复的压电效应。该成果于2026年3月18日发表于国际顶级期刊《Science Advances》，论文题为"Uncovering piezoelectric effect in polycrystalline diamond membranes"（DOI: 10.1126/sciadv.aea8318）。

打破百年定论

自20世纪初以来，全球科学界一直将金刚石归类为非压电材料。压电性要求材料具有非中心对称的晶体结构，而金刚石高度对称的立方晶格长期以来被认为排除了任何压电效应的可能。

港大团队的发现从根本上挑战了这一假设。通过制备超薄多晶金刚石薄膜——而非使用块状单晶金刚石——他们揭示了一种此前未被认识的、在纳米尺度上涌现的压电性来源。

边缘暴露剥离法：发现的关键前提

这一突破得益于团队此前自主研发的"边缘暴露剥离法"。该技术于2024年发表于《Nature》杂志，并入选"2025年度中国科学十大进展"。该方法能在数秒内完成传统激光切片和衬底刻蚀需要数十小时才能完成的工作，实现英寸级、亚微米厚、超平整且可360度弯曲的多晶金刚石薄膜的规模化制备。

所得薄膜具有亚纳米级表面粗糙度，完美兼容现有半导体CMOS工艺。正是这种前所未有的柔韧性，使得压电效应的发现成为可能——只有弯曲超薄金刚石薄膜，才能观察到隐藏了一个多世纪的电压信号。

实验证据：严谨且可重复

当金刚石薄膜受到弯曲变形时，两侧表面产生了稳定的电压信号。为确保最高水平的科学严谨性，团队在多种受控条件下进行了大量机械循环测试，系统排除了环境噪声、摩擦电伪影和表面静电效应等干扰因素。

结果毫不含糊：在多次测试循环中，电输出一致且可重复，证实压电响应是真实的材料体相属性，而非实验假象。团队确认电荷极化存在于材料体相内部，而非仅停留在表面。

关键发现是，压电性具有厚度依赖性，在约5微米厚的薄膜中观察到峰值响应。在此厚度下，薄膜的压电电压系数约为82.2 mV·m/N，超过了多种传统压电材料。

物理机制：晶界不对称性

第一性原理计算揭示了这一意外压电性的物理起源。在多晶金刚石薄膜中，材料由大量金刚石晶粒组成，晶粒之间以晶界分隔。这些晶界引入了完美单晶金刚石中不存在的局部结构不对称性。

当薄膜发生变形时，电荷极化在晶界处积累，在薄膜上下表面之间产生电势差。这一机制与传统压电性——源于非中心对称晶体结构——根本不同。多晶金刚石薄膜中的压电性源于晶界在应变下的集体行为，这一发现改写了教科书对压电材料的定义。

应用前景：从能量采集到植入式医疗

该发现将金刚石固有的生物相容性、化学稳定性、无毒性、高温稳定性和超宽带隙，与新发现的主动功能特性相结合，在多个前沿领域打开了应用之门：

• 能量采集：将机械振动、人体运动和环境运动转化为电能，减少对传统电池的依赖。
• 智能传感：面向工业和可穿戴应用的高精度变形和压力传感器。
• 下一代通信（5G/6G）：利用金刚石超高声速特性，开发高功率射频滤波器和声波器件。
• 极端环境传感器：在航空航天、深井探测、核工业等高温高压场景下实现高精度、长寿命的感知。
• 微机电系统（MEMS）：作为高性能驱动器与换能器，推动医疗器械和工业自动化设备的微型化与智能化。
• 自供电植入式医疗器件：凭借生物相容性和人体运动能量采集能力，未来可用于心脏起搏器、体内生理传感器，实现"无电池"或"永不换电池"的长效供电。

国际认可与产业转化

该发现已引起国际广泛关注。在2026年3月11日至15日举行的第51届日内瓦国际发明展上，团队与褚智勤教授创立的DiamNEX公司合作，凭借"压电金刚石膜（Piezoelectric Diamond Membranes）"项目荣获金奖。这是继2024年凭借边缘暴露剥离法量产技术获得日内瓦金奖后的连续突破。

该技术已申请多项专利，形成强有力的知识产权壁垒。DiamNEX作为关键产业化伙伴，在实验验证、性能优化及商业路径评估中发挥了重要作用，充分体现了产学研深度融合。

跨机构合作还涉及南方科技大学和北京大学东莞光电研究院，主要完成人包括褚智勤、林原、李携曦、王琦等。

金刚石材料的新纪元

这项研究的意义远超纠正一个百年分类错误。它为金刚石材料的功能化开辟了全新赛道，将金刚石从被动衬底转变为主动功能材料。结合团队此前在规模化薄膜制备方面的突破，从实验室发现到工业应用的路径比以往任何时候都更加清晰。

随着褚智勤教授和林原教授团队持续推动金刚石科学的边界，"智能金刚石"技术——自供电、生物兼容、可在最极端环境下工作的愿景——正在从想象走向现实。