河北工业大学胡宁、杨波团队：金刚石本征各向异性表面材料原子级去除

一、 【导读】 

金刚石力学性能优异，并且具有极高的热导率，被认为是第四代“终极半导体”。令人满意的表面粗糙度(Ra)是确保金刚石发挥自身优异性能的关键，发展金刚石的原子级抛光与表面调控技术具有重要的科学研究和工业应用意义。因此，深入探究金刚石固有的各向异性表面材料去除机理，是实现金刚石原子级表面抛光的前提。

二、【成果掠影】

近期，河北工业大学胡宁、杨波团队通过原子力显微镜(AFM)划痕实验和分子动力学(MD)模拟相结合，研究了金刚石三个低指数(001)、(1-10)和(111)面的原子级材料去除过程。发现金刚石的各向异性去除行为与表面非晶化程度密切相关；在相同抛光面上，划痕力、划痕深度和非晶原子数的变化强烈依赖于划痕晶向，以单晶金刚石(001)面为例，其0°(即[100]晶向)和90°(即[010]晶向)划痕力最大、划痕深度最大且非晶化原子数量最多，说明该晶向表面材料最容易去除，如图1所示。

此外，通过对比三个低指数(001)、(1-10)和(111)面划痕深度，可知划痕深度的增加顺序为：(001)>(11(_)0)>(111)晶面，这是由于(001)、(11(_)0)和(111)晶面的硬度依次增大导致的。在相同的载荷下，硬度最低的(001)晶面，划痕深度最大，(11(_)0)晶面次之，(111)晶面的划痕深度最小。如图2所示，在同一个晶面上，划痕力和划痕深度变化趋势一致，均呈现出完整波峰或波谷曲线，并且划痕深度最大时，非晶化原子程度最严重，表明该方向上原子更容易去除。综上可知，(001)晶面的[100]和[010]晶向划痕力最大，为易磨晶向，[110]晶向划痕力最小，为难磨晶向；(11(_)0)晶面的[110]和[1(_)1(_)0]晶向划痕力最小，为难磨晶向，[001]晶向划痕力最大，为易磨晶向；(111)晶面的[112(_)]和[2(_)11]晶向划痕力最大，为易磨晶向，[1(_)21(_)]晶向划痕力最小，为难磨晶向。

三、【核心创新点】

1.在金刚石相同晶面上，刮擦力、刮擦深度和非晶原子数的变化强烈依赖于划痕方向，其中“易磨”方向最高，并呈对称下降趋势；

2.金刚石表面材料是通过非晶化去除的，非晶化程度最高的是“易磨”方向；

四、【数据概览】

图1 单晶金刚石(001)面不同划痕方向上二维高度图和红线区域划痕的横截面深度轮廓；(a) 0°；(b) 15°；(c) 30°；(d) 45°；

图2 AFM划痕实验结合MD划痕模拟揭示了金刚石本征各向异性原子级表面去除机理

五、【成果启示】

抛光晶向决定了抛光面质量，金刚石沿{100}<100>、{110}<100>晶向系的材料去除率最高，且加工后可获得原子级光滑表面。对于硬度更高的纳米多晶金刚石，可基于抛光面晶粒取向信息，将“易磨”方向接近的晶粒们划分为一组，通过多次变换抛光方向，实现各晶粒组的同步抛光。该方法有望推动高性能纳米多晶金刚石在大功率芯片、极端环境光学窗口等高精尖领域的应用，大幅提升服役寿命，降低维护成本。

原文详情：相关工作近期以“Investigation on the atomic level removal mechanism of diamond with intrinsically anisotropic surface”为题发表在《Tribology International》上，https://doi.org/10.1016/j.triboint.2024.109322。河北工业大学机械工程学院副教授杨波为论文第一作者，副教授武帅和丁湘燕为论文共同通讯作者。该研究得到国家自然科学基金青年基金项目和博士后创新人才计划项目的支持。

本文由河北工业大学杨波供稿