青島日報社/觀海新聞10月26日訊 在青島市嶗山區苗嶺路37號，海洋功能薄膜材料制備實驗室里的機器嗡嗡作響。在這里，山東省科學院海洋儀器儀表研究所的科研人員利用熱絲化學氣相沉積設備，通過注入甲烷和氫氣，讓鈮金屬的表面“長”出了金剛石薄膜。
金剛石薄膜生長的過程只需要10小時，但技術的研發卻經歷了4年。這樣一塊硬幣大小、毫不起眼的海洋電導率傳感材料，就是溫鹽深傳感器探頭上最核心的部分，也是制約溫鹽深傳感器國產化“卡脖子”的難題。
研發出金剛石薄膜電極材料，打破國外對核心材料的壟斷
溫鹽深傳感器（CTD）是水文氣象領域最基本也是需求量最大、使用最多的傳感器。目前，我國的溫鹽深傳感器主要有兩類，一類用于海洋科學研究，一類用于業務化運行。不過，無論哪一類的CTD，我國都基本依賴進口，市場份額被美國海鳥、日本亞力克、德國Sea Sun和加拿大RBR等公司壟斷。
“國內在CTD傳感器集成方面已經做得很強，制約CTD國產化的核心就是海洋傳感材料。”海洋功能薄膜材料制備實驗室團隊負責人蓋志剛介紹說，“目前，國內外所有廠商CTD探頭上使用的都是鉑電極材料。從原理上來講，鉑電極是金屬材料，會在海水中產生極化效應，背景電流大，易產生噪聲干擾，從而造成測量精度的下降。”
為了減小極化效應，國際上都會在鉑電極材料的表面鍍一層鉑黑。但鉑黑的結合力差，海洋高溫高鹽高濕的惡劣環境以及海水的不斷沖刷，極易造成鉑黑的損傷。蓋志剛說：“為了保證監測精度，我國業務化運行的CTD一般都是半年到1年內進行一次小修，3年進行一次大修。”
與國際上使用鉑電極材料不同，海儀所研發出硼摻雜金剛石薄膜電極材料。金剛石材料屬于無機非金屬碳材料，一方面極化效應小，可以提高測量精度，另一方面又極其堅固耐用，可機械清洗，從而提高了傳感器的穩定性和壽命。
那么，這種金剛石薄膜材料是如何避免薄膜的脫落呢？蓋志剛一邊演示一邊介紹，金剛石薄膜不是以“鍍”而是以“長”的方式覆蓋在鈮金屬表面，在熱絲化學氣相沉積設備中，噴氣盤中噴出的甲烷和氫氣先經過2400攝氏度的熱絲，氣體裂解，再經800度的冷卻臺，氣體冷凝沉積在基片上形成核，并不斷以島狀的形狀開始生長，最終成膜。
“過程、道理很容易說，但技術其實很復雜。” 蓋志剛介紹，金剛石薄膜傳感技術是海儀所聯合國際知名金剛石領域專家姜辛教授多年研究的成果。
基于新材料，研制出可媲美國外同類產品的海洋鹽度傳感器
姜辛畢業于德國亞琛工業大學，師從德國著名的科學家Peter Grünberg 教授，后者于2007年獲得諾貝爾物理學獎。30多年來，姜辛一直致力于金剛石薄膜生長設計與應用研究，獲得多項創新性成果，在相關領域處于國際領先地位。如今，姜辛除了是德國錫根大學表面技術與材料工程研究所所長、C4級（德國最高級別）終身講座教授外，還是海儀所的特聘教授。
2016年，經海儀所牽頭，蓋志剛與姜辛相識。把姜辛教授的金剛石薄膜技術引進國內，應用到溫鹽深傳感器上，以此打破國外對海洋鹽度傳感材料和傳感器市場的壟斷，正是海儀所的機遇和目標。
通過引進姜辛教授，海儀所結合在海洋傳感設備研發中的技術積累和德國錫根大學在金剛石薄膜傳感技術領域的優勢，聯合開展硼摻雜金剛石薄膜電極的海洋鹽度傳感器聯合研發、測試及示范應用。經過4年研發攻關，近日，海儀所研制出國際首臺硼摻雜金剛石薄膜電極海洋鹽度傳感器。
據了解，硼摻雜金剛石薄膜電極海洋鹽度傳感器不僅實現了海洋核心傳感材料的攻關，而且在薄膜制備與表面功能化關鍵工藝、電導池核心傳感器件設計與制備、信號采集與處理電路設計及海洋傳感特性優化等關鍵技術方面取得突破，其測量精度達±0.005mS/cm，整體性能達到國際先進水平。
“把最核心的技術牢牢掌握在自己手里，才不會在風云變幻的時代環境下受制于人。”在海洋功能薄膜材料制備實驗室里，蓋志剛指著傳感器旁邊或方形或鏤空的金剛石薄膜材料介紹，金剛石薄膜傳感技術和硼摻雜金剛石薄膜電極海洋鹽度傳感器的研發成功，將有效解決我國海洋核心傳感材料和傳感器受制于人的局面，滿足我國在海洋環境監測、海水養殖與資源開發、海洋國土安全保障等領域的技術需要。（青島日報/觀海新聞記者 李勛祥）
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