中國(guó)粉體網(wǎng)訊 金剛石以其優(yōu)異的性能在力學(xué)、光學(xué)、熱學(xué)和電子學(xué)等領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。然而，金剛石表面質(zhì)量會(huì)影響其在高科技領(lǐng)域的應(yīng)用，因此通過(guò)高效拋光技術(shù)獲得高質(zhì)量表面一直是金剛石研究的重點(diǎn)內(nèi)容。
隨著化學(xué)氣相沉積（CVD）金剛石技術(shù)的發(fā)展，大尺寸人工合成金剛石得以規(guī)模化生產(chǎn)并獲得廣泛應(yīng)用，但CVD金剛石常伴有薄膜厚度不均勻、應(yīng)力變形、晶粒尺寸不同、取向不一致、位錯(cuò)密度較高、表面質(zhì)量低等缺點(diǎn)，因此在應(yīng)用前需要進(jìn)行平整化處理。例如：?jiǎn)尉Ы饎偸谱鞯牡毒咝杈哂泄饣砻�，便于切屑快速�(gòu)慕饎偸睹婵焖倥懦�，從而減少切屑堆積，保證加工精度，提升刀具使用壽命；多晶金剛石膜做熱沉材料時(shí)，需要光滑的表面以增加接觸面積，提高散熱效率；當(dāng)用作光學(xué)窗口時(shí)，金剛石的低損傷表面/亞表面可以減少光信號(hào)通過(guò)時(shí)的散射，能夠更好地成像。
然而，金剛石因其超高的硬度、出色的耐磨性以及高化學(xué)惰性等特點(diǎn)，增加了表面機(jī)械拋光的難度。因此，如何實(shí)現(xiàn)高效、低成本且低損傷的拋光，成為關(guān)系到金剛石大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的關(guān)鍵。
目前，金剛石的表面拋光技術(shù)主要有機(jī)械拋光、化學(xué)機(jī)械拋光、熱化學(xué)拋光、動(dòng)態(tài)摩擦拋光和涉及高能粒子非接觸式的拋光方法，如激光拋光、離子束拋光、等離子體拋光、電火花拋光等。
機(jī)械拋光
機(jī)械拋光作為最傳統(tǒng)的金剛石拋光方法，也是目前唯一得到大量應(yīng)用的金剛石拋光方法。機(jī)械拋光時(shí)，拋光盤(pán)以極高的轉(zhuǎn)速（大于2500r/min）高速旋轉(zhuǎn)，在金剛石工件上施加極大的壓力（大于10N），該方法利用金剛石磨粒的機(jī)械作用實(shí)現(xiàn)材料去除，但是加工效率低且易產(chǎn)生加工損傷。機(jī)械拋光會(huì)造成金剛石工件的表面損傷和亞表面損傷，拋光過(guò)程中的機(jī)械沖擊會(huì)導(dǎo)致拋光表面形成凹坑、亞表面裂紋和晶格損傷，這些損傷無(wú)法通過(guò)后續(xù)的拋光步驟消除，且光學(xué)設(shè)備無(wú)法檢測(cè)出來(lái)。
機(jī)械拋光示意圖
化學(xué)機(jī)械拋光
化學(xué)機(jī)械拋光（chemical mechanical polishing，CMP）是一種超精密拋光的加工方法，通過(guò)在機(jī)械拋光過(guò)程中加入氧化劑，氧化碳原子提高拋光速率。雖然拋光金剛石速率較慢，但有表面損傷小、粗糙度低、設(shè)備簡(jiǎn)單、運(yùn)行維護(hù)成本低，拋光后的表面污染較輕等優(yōu)點(diǎn)，在金剛石拋光領(lǐng)域逐漸受到重視。
化學(xué)機(jī)械拋光示意圖
在化學(xué)機(jī)械拋光過(guò)程中，氧化劑扮演著至關(guān)重要的角色，早期以高溫熔融鹽作為氧化劑進(jìn)行拋光。KNO3、NaNO3、LiNO3、KMnO4、K2FeO4、KIO4、K2Cr2O7 和H2O2是常用的氧化劑，其中部分氧化劑需較高的工作溫度以達(dá)到熔點(diǎn)，如KNO3熔點(diǎn)為334℃、NaNO3熔點(diǎn)為307℃。H2O2是一種強(qiáng)氧化劑，使用H2O2溶液作為拋光液，在室溫下進(jìn)行化學(xué)機(jī)械拋光后，可得到原子級(jí)光滑的表面。
為了進(jìn)一步提高拋光效率，使金剛石表面均勻光滑，混合氧化劑走進(jìn)了大眾視野，其中，H2O2及其混合物組成的拋光液成為了金剛石化學(xué)拋光的主要選擇。例如，先用鐵板對(duì)金剛石樣品拋光2小時(shí)，通過(guò)熱化學(xué)拋光，快速去除金剛石表面劃痕和損傷，再用鐵板在H2O2溶液中對(duì)金剛石樣品拋光3小時(shí)，可得到晶體有序的超光滑表面。
該過(guò)程基于芬頓（Fenton）反應(yīng)拋光金剛石，將鐵浸入H2O2溶液中，生成亞鐵離子（Fe2+），F(xiàn)e2+與 H2O2反應(yīng)生成具有強(qiáng)氧化性的•OH，反應(yīng)過(guò)程如下：
Fe2+ + H2O2→•OH+OH−+Fe3+
Fenton試劑拋光金剛石材料去除原理
熱化學(xué)拋光
熱化學(xué)拋光（thermochemical polishing，TCP）是以碳原子在熱金屬中的擴(kuò)散、金剛石轉(zhuǎn)化為石墨和金剛石的氧化為基礎(chǔ)的拋光技術(shù)。熱化學(xué)拋光時(shí)，金剛石膜在真空、氫氣或惰性氣體氣氛下，在加熱到750~1000℃的熱鐵光盤(pán)上轉(zhuǎn)動(dòng)摩擦，在高溫條件下，通過(guò)碳原子向鐵質(zhì)拋光盤(pán)擴(kuò)散來(lái)實(shí)現(xiàn)金剛石膜的平整化。
通過(guò)熱化學(xué)拋光可以使金剛石表面達(dá)到納米級(jí)的粗糙度，雖然熱化學(xué)拋光可以得到較好的表面質(zhì)量，但需要在高溫真空條件下進(jìn)行加工，以至于加工成本過(guò)高，未能得到廣泛應(yīng)用。
動(dòng)態(tài)摩擦拋光
金剛石極高的硬度和優(yōu)異的理化性能卻使其拋光加工非常困難, 將表面粗糙度 從μm級(jí)降低到nm級(jí)，往往需要幾十到上百小時(shí)的拋光時(shí)間。
動(dòng)態(tài)摩擦拋光 (dynamic friction polishing，DFP) 具有極高的金剛石去除速率，而且克服了其他拋光方法中存在的“拋光速率受拋光晶面取向影響”的問(wèn)題。單晶金剛石在夾具的夾持下，與高速旋轉(zhuǎn)的金屬拋光盤(pán)緊密接觸，通過(guò)去除表面 的微凸峰來(lái)降低粗糙度。在DFP中金剛石的去除過(guò)程為：碳的機(jī)械脫離、碳向拋光盤(pán)擴(kuò)散以及碳的氧化。
單晶金剛石的動(dòng)態(tài)摩擦拋光
目前，DFP的研究主要集中在獲得最高去除速率和最低粗糙度2個(gè)方向。
激光拋光
激光拋光（laser polishing，LP）通過(guò)激光束照射到金剛石厚膜表面，使金剛石膜表面溫度升高，進(jìn)而使被加熱的金剛石表面碳原子氣化和石墨化，從而達(dá)到去除材料的目的。
用于金剛石加工的激光可依據(jù)激光脈沖長(zhǎng)度和原子晶格碰撞之間的大小關(guān)系分為“熱加工”和“冷加工”兩類。最具代表性的為納秒激光和飛秒激光，對(duì)于金剛石而言，其電子和空穴的弛豫時(shí)間分別為1.5ps和1.4ps。
激光與電子、晶格相互作用模型 (a) 納秒激光；(b) 飛秒激光
激光加工是目前金剛石的主流加工方法，相較于傳統(tǒng)的機(jī)械加工形式，激光加工精度高、效率高、普適性強(qiáng)，因而在金剛石切割、微孔成型、微槽道加工及平整化等方面均得到廣泛應(yīng)用。
離子束拋光
離子束拋光（ion beam polishing，IBP）可實(shí)現(xiàn)精細(xì)化拋光，IBP利用氧或具有較大濺射率的惰性氣體（Ar）離子，對(duì)金剛石膜進(jìn)行濺射刻蝕。等離子轟擊金剛石表面以去除碳原子，當(dāng)高能離子與金剛石表面碰撞時(shí)，金剛石晶體結(jié)構(gòu)被破壞，碳原子就從金剛石膜表面濺射出來(lái)，從而達(dá)到表面拋光的目的。該方法雖然能在很小的尺度上去除脆硬材料，但容易在襯底表面留下波紋。
離子入射角對(duì)材料去除率的影響
IBP可在粗拋后，對(duì)金剛石表面做精拋處理，以達(dá)到高質(zhì)量表面。
等離子體拋光
等離子體輔助拋光（plasma assisted polishing，PAP）是一種新型的干法化學(xué)拋光方法，其是先利用等離子體活化金剛石表面，進(jìn)一步使用“軟磨料”去除變質(zhì)層。該方法可用于金剛石精細(xì)化拋光，可提高金剛石表面光潔度。
等離子體輔助機(jī)械拋光裝置
結(jié)語(yǔ)
激光拋光、離子束拋光和等離子體拋光在粗拋和精拋領(lǐng)域有著各自的優(yōu)勢(shì)，但設(shè)備的使用成本明顯高于其他拋光方法�；瘜W(xué)機(jī)械拋光具有較高去除率、高表面質(zhì)量、低加工成本等優(yōu)勢(shì)，是一種高效的拋光方法，尤其是H2O2及相關(guān)加工方法的使用，不僅使金剛石表面粗糙度達(dá)到亞納米級(jí)，獲得了超光滑且低損傷的表面，而且降低了化學(xué)污染。
當(dāng)前金剛石正以每年數(shù)億美元的市場(chǎng)規(guī)模擴(kuò)大應(yīng)用范圍，表面質(zhì)量是影響其應(yīng)用的重要因素。未來(lái)，實(shí)現(xiàn)金剛石大面積、無(wú)亞表面損傷的拋光依舊是其在半導(dǎo)體、熱沉等領(lǐng)域獲得應(yīng)用的重要課題。
參考來(lái)源：
1.溫海浪等. 大尺寸單晶金剛石襯底拋光技術(shù)研究現(xiàn)狀與展望.機(jī)械工程學(xué)報(bào)
2.安康等. 金剛石化學(xué)機(jī)械拋光研究進(jìn)展.人工晶體學(xué)報(bào)
3.袁菘等. 金剛石化學(xué)機(jī)械拋光研究現(xiàn)狀.表面技術(shù)
4.張浩晨等. 單晶金剛石的動(dòng)態(tài)摩擦拋光.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)學(xué)報(bào)
5.葉盛等. 激光技術(shù)在金剛石加工中的研究及應(yīng)用進(jìn)展.紅外與激光工程
（中國(guó)粉體網(wǎng)編輯整理/輕言）
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