中國粉體網(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)量會影響其在高科技領(lǐng)域的應(yīng)用,，因此通過高效拋光技術(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)�,；�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、位錯密度較高,、表面質(zhì)量低等缺點,，因此在應(yīng)用前需要進行平整化處理。例如：單晶金剛石制作的刀具需具有光滑表面,，便于切屑快速從金剛石刀面快速排出,，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,，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,，金剛石的低損傷表面/亞表面可以減少光信號通過時的散射，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,，增加了表面機械拋光的難度,。因此，如何實現(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)主要有機械拋光,、化學(xué)機械拋光、熱化學(xué)拋光,、動態(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。

機械拋光

機械拋光作為最傳統(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,。機械拋光時，拋光盤以極高的轉(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械作用實現(xiàn)材料去除，但是加工效率低且易產(chǎn)生加工損傷,。機械拋光會造成金剛石工件的表面損傷和亞表面損傷,，拋光過程中的機械沖擊會導(dǎo)致拋光表面形成凹坑、亞表面裂紋和晶格損傷,，這些損傷無法通過后續(xù)的拋光步驟消除,，且光學(xué)設(shè)備無法檢測出來,。

機械拋光示意圖

化學(xué)機械拋光

化學(xué)機械拋光（chemical mechanical polishing,，CMP）是一種超精密拋光的加工方法，通過在機械拋光過程中加入氧化劑，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)備簡單,、運行維護成本低，拋光后的表面污染較輕等優(yōu)點,，在金剛石拋光領(lǐng)域逐漸受到重視,。

化學(xué)機械拋光示意圖

在化學(xué)機械拋光過程中，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到熔點,，如KNO₃熔點為334℃,、NaNO₃熔點為307℃。H₂O₂是一種強氧化劑,，使用H₂O₂溶液作為拋光液,，在室溫下進行化學(xué)機械拋光后，可得到原子級光滑的表面,。

為了進一步提高拋光效率,，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,，先用鐵板對金剛石樣品拋光2小時,，通過熱化學(xué)拋光，快速去除金剛石表面劃痕和損傷,，再用鐵板在H₂O₂溶液中對金剛石樣品拋光3小時,，可得到晶體有序的超光滑表面。

該過程基于芬頓（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)生成具有強氧化性的•OH，反應(yīng)過程如下：

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,，金剛石膜在真空,、氫氣或惰性氣體氣氛下，在加熱到750~1000℃的熱鐵光盤上轉(zhuǎn)動摩擦,，在高溫條件下,，通過碳原子向鐵質(zhì)拋光盤擴散來實現(xiàn)金剛石膜的平整化。

通過熱化學(xué)拋光可以使金剛石表面達到納米級的粗糙度,，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行加工，以至于加工成本過高,，未能得到廣泛應(yīng)用,。

動態(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級降低到nm級，往往需要幾十到上百小時的拋光時間,。

動態(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)的金屬拋光盤緊密接觸，通過去除表面 的微凸峰來降低粗糙度,。在DFP中金剛石的去除過程為：碳的機械脫離,、碳向拋光盤擴散以及碳的氧化。

單晶金剛石的動態(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個方向,。 

激光拋光

激光拋光（laser polishing，LP）通過激光束照射到金剛石厚膜表面,，使金剛石膜表面溫度升高,，進而使被加熱的金剛石表面碳原子氣化和石墨化，從而達到去除材料的目的,。

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，對于金剛石而言,，其電子和空穴的弛豫時間分別為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)的機械加工形式,，激光加工精度高、效率高,、普適性強，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）可實現(xiàn)精細化拋光,，IBP利用氧或具有較大濺射率的惰性氣體（Ar）離子，對金剛石膜進行濺射刻蝕,。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，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,，從而達到表面拋光的目的。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,。

離子入射角對材料去除率的影響

IBP可在粗拋后，對金剛石表面做精拋處理,，以達到高質(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,，進一步使用“軟磨料”去除變質(zhì)層。該方法可用于金剛石精細化拋光,，可提高金剛石表面光潔度,。

等離子體輔助機械拋光裝置

結(jié)語

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,，但設(shè)備的使用成本明顯高于其他拋光方法,。化學(xué)機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，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到亞納米級，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)億美元的市場規(guī)模擴大應(yīng)用范圍,，表面質(zhì)量是影響其應(yīng)用的重要因素。未來,，實現(xiàn)金剛石大面積,、無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.機械工程學(xué)報

2.安康等. 金剛石化學(xué)機械拋光研究進展.人工晶體學(xué)報

3.袁菘等. 金剛石化學(xué)機械拋光研究現(xiàn)狀.表面技術(shù)

4.張浩晨等. 單晶金剛石的動態(tài)摩擦拋光.中國科學(xué)院大學(xué)學(xué)報

5.葉盛等. 激光技術(shù)在金剛石加工中的研究及應(yīng)用進展.紅外與激光工程

（中國粉體網(wǎng)編輯整理/輕言）

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