河北工業大學胡寧、楊波團隊：金剛石本征各向異性表面材料原子級去除

一、 【導讀】?

金剛石力學性能優異，并且具有極高的熱導率，被認為是第四代“終極半導體”。令人滿意的表面粗糙度(Ra)是確保金剛石發揮自身優異性能的關鍵，發展金剛石的原子級拋光與表面調控技術具有重要的科學研究和工業應用意義。因此，深入探究金剛石固有的各向異性表面材料去除機理，是實現金剛石原子級表面拋光的前提。

二、【成果掠影】

近期，河北工業大學胡寧、楊波團隊通過原子力顯微鏡(AFM)劃痕實驗和分子動力學(MD)模擬相結合，研究了金剛石三個低指數(001)、(1-10)和(111)面的原子級材料去除過程。發現金剛石的各向異性去除行為與表面非晶化程度密切相關；在相同拋光面上，劃痕力、劃痕深度和非晶原子數的變化強烈依賴于劃痕晶向，以單晶金剛石(001)面為例，其0°(即[100]晶向)和90°(即[010]晶向)劃痕力最大、劃痕深度最大且非晶化原子數量最多，說明該晶向表面材料最容易去除，如圖1所示。

此外，通過對比三個低指數(001)、(1-10)和(111)面劃痕深度，可知劃痕深度的增加順序為：(001)>(11(_)0)>(111)晶面，這是由于(001)、(11(_)0)和(111)晶面的硬度依次增大導致的。在相同的載荷下，硬度最低的(001)晶面，劃痕深度最大，(11(_)0)晶面次之，(111)晶面的劃痕深度最小。如圖2所示，在同一個晶面上，劃痕力和劃痕深度變化趨勢一致，均呈現出完整波峰或波谷曲線，并且劃痕深度最大時，非晶化原子程度最嚴重，表明該方向上原子更容易去除。綜上可知，(001)晶面的[100]和[010]晶向劃痕力最大，為易磨晶向，[110]晶向劃痕力最小，為難磨晶向；(11(_)0)晶面的[110]和[1(_)1(_)0]晶向劃痕力最小，為難磨晶向，[001]晶向劃痕力最大，為易磨晶向；(111)晶面的[112(_)]和[2(_)11]晶向劃痕力最大，為易磨晶向，[1(_)21(_)]晶向劃痕力最小，為難磨晶向。

三、【核心創新點】

1.在金剛石相同晶面上，刮擦力、刮擦深度和非晶原子數的變化強烈依賴于劃痕方向，其中“易磨”方向最高，并呈對稱下降趨勢；

2.金剛石表面材料是通過非晶化去除的，非晶化程度最高的是“易磨”方向；

四、【數據概覽】

圖1 單晶金剛石(001)面不同劃痕方向上二維高度圖和紅線區域劃痕的橫截面深度輪廓；(a) 0°；(b) 15°；(c) 30°；(d) 45°；

圖2 AFM劃痕實驗結合MD劃痕模擬揭示了金剛石本征各向異性原子級表面去除機理

五、【成果啟示】

拋光晶向決定了拋光面質量，金剛石沿{100}<100>、{110}<100>晶向系的材料去除率最高，且加工后可獲得原子級光滑表面。對于硬度更高的納米多晶金剛石，可基于拋光面晶粒取向信息，將“易磨”方向接近的晶粒們劃分為一組，通過多次變換拋光方向，實現各晶粒組的同步拋光。該方法有望推動高性能納米多晶金剛石在大功率芯片、極端環境光學窗口等高精尖領域的應用，大幅提升服役壽命，降低維護成本。

原文詳情：相關工作近期以“Investigation on the atomic level removal mechanism of diamond with intrinsically anisotropic surface”為題發表在《Tribology International》上，https://doi.org/10.1016/j.triboint.2024.109322。河北工業大學機械工程學院副教授楊波為論文第一作者，副教授武帥和丁湘燕為論文共同通訊作者。該研究得到國家自然科學基金青年基金項目和博士后創新人才計劃項目的支持。

本文由河北工業大學楊波供稿