中國粉體網(wǎng)訊 近日，江南大學研究團隊在《Diamond and Related Materials》上發(fā)表了一項成果，首次系統(tǒng)揭示了單晶金剛石在聚焦鎵離子束（FIB）加工中的晶向依賴效應，為高精度金剛石刀具的定向加工與性能優(yōu)化提供了理論支撐。這一發(fā)現(xiàn)有望推動半導體、光學元件等領域的超精密制造技術邁向新臺階。
單晶金剛石因其卓越的硬度、耐磨性和化學穩(wěn)定性而被廣泛認為是超精密加工應用的最佳刀具材料。單晶金剛石由碳原子以四面體結構周期性排列形成，不同晶面（如(100)、(110)、(111)）的原子排列密度和化學鍵方向各異，導致物理性質顯著不同。金剛石晶向決定刀具性能，通過系統(tǒng)優(yōu)化晶體取向，可以大幅提高刀具壽命和加工精度，從而滿足超精密加工對高精度和高效性的嚴格要求。
單晶金剛石（100）、（110）、（111）晶體取向的俯視圖
團隊重點研究了單晶金剛石聚焦鎵離子束（FIB）加工的晶體取向依賴性機制。通過分子動力學模擬和對（100）、（110）和（111）晶體取向的濺射產率、次表面損傷和石墨化等關鍵參數(shù)的實驗比較，闡明了晶體取向對離子-材料相互作用的機理。
實驗結果表明，在相同加工條件下，(110)晶向的濺射效率明顯高于(100)與(111)晶向，加工深度最大，去除效率最佳。然而拉曼光譜分析發(fā)現(xiàn)，(110)晶向更易發(fā)生sp3向sp2的轉變，即更易石墨化與無序化，表現(xiàn)出較高的損傷敏感性；相比之下，(111)晶向結構最為穩(wěn)定，損傷程度最低。
不同晶體取向的單晶金剛石在鎵離子刻蝕下的SEM圖像（左上），不同取向單晶金剛石的平均濺射產率（右上），不同晶體取向刻蝕金剛石的拉曼光譜（下方）
分子動力學模擬進一步揭示了這一現(xiàn)象的原子尺度機理：由于(110)晶向具有更寬的原子通道與較低的入射阻力，Ga離子能夠以更慢的能量衰減速度深入晶體內部，形成更深、更廣的損傷層，并促進石墨化區(qū)域的擴展。這種高效去除與高損傷并存的特性意味著，在追求高去除效率時可優(yōu)先選用(110)晶向，而在注重刀刃質量與結構完整性時則應選擇(100)或(111)晶向。
不同晶向損傷橫截面圖像，（a）5keV能量，（b）10keV能量，白色代表損傷
合理選擇單晶金剛石刀具的晶面，不僅能提升加工質量，還能延長刀具壽命，提高生產效率。此研究為單晶金剛石刀具的定向加工與性能優(yōu)化提供了理論依據(jù)，并為超精密加工中不同功能部位的晶向選取提供了重要參考。
參考來源：超硬天地、Diamond and Related Materials
（中國粉體網(wǎng)編輯整理/石語）
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