综述：单晶与多晶金刚石的机械、化学及能量场辅助抛光技术的进展与挑战：一项全面综述

《Materials & Design》：Advances and challenges in mechanical, chemical and energy-field-assisted polishing techniques for single-crystal and polycrystalline diamonds: a comprehensive review

本综述系统梳理了单晶金刚石（SCD）与多晶金刚石（PCD）的多种抛光技术，包括机械抛光（MP）、机械化学抛光（MCP）、热化学抛光（TCP）、化学机械抛光（CMP）、动态摩擦抛光（DFP）以及等离子体辅助抛光（PAP）、激光辅助抛光（LAP）、超声辅助抛光（UAP）和低温辅助抛光（LTP）等新兴能量场辅助技术。文章对比分析了各技术的抛光质量、材料去除率（MRR）及材料去除机理，指出当前尚无单一技术能完全满足所有加工需求，并展望了多场耦合智能化抛光技术的未来发展方向。

　　

1. 引言

金刚石因其极高的硬度（莫氏硬度10）、高达70%的透光率以及2200 W/(m·K)的优异导热性等极端物理性质，在超精密加工、精密光学、电子工业等领域具有广泛应用。单晶金刚石（SCD）作为“终极半导体材料”，拥有5.5 eV的宽禁带、10 MV/cm的高击穿场强和4500 cm²/(V·s)的出色载流子迁移率。工业应用主要依赖高温高压（HPHT）法和化学气相沉积（CVD）法合成的人造金刚石。然而，生长态金刚石表面通常粗糙，需要抛光以满足应用标准，但其极高的硬度和化学惰性使其抛光极具挑战性。

2. SCD与PCD的加工特性及抛光方法

2.1. 单晶金刚石（SCD）

SCD表现出明显的各向异性。其滑移变形机制和亚表面位错结构对理解抛光过程至关重要。研究表明，{111}晶面最容易发生解理，各向异性显著影响其磨损率和最终表面光洁度。沿软方向的研磨质量和材料去除率通常显著高于硬方向。

2.2. 多晶金刚石（PCD）

PCD主要用于耐磨工具、散热部件和电子基板，其中CVD金刚石薄膜应用最广。然而，晶粒的竞争生长导致微腔和多种晶体取向，使传统机械抛光效果不佳，对抛光质量构成严峻挑战。

3. 机械抛光（MP）

MP是历史最悠久的金刚石精加工方法，主要应用于SCD。其依赖于研磨盘和抛光盘来降低表面粗糙度。分子动力学（MD）模拟被广泛用于研究SCD机械抛光的微观机制，揭示了表面层碳原子的非晶化（形成sp²和sp³杂化的非金刚石碳）是主要的材料去除机制。抛光质量受磨料分布均匀性、晶向、滑动速度、压力等因素影响。MP可实现Ra 0.13 nm的高精度，但材料去除率通常较低。

4. 机械化学抛光（MCP）

MCP通过在磨轮中添加Fe、Ti、Ni、Cr等活性金属添加剂，结合机械磨削和金属催化化学反应（形成金属碳化物如Fe₃C、TiC、Cr₃C₂）来高效去除材料。该技术已成功应用于CVD金刚石薄膜和SCD的抛光，材料去除率最高可达148.14 μm/h，表面粗糙度可降至Ra 9.02 nm。

5. 热化学抛光（TCP）

TCP通过在高温（通常750–1100 °C）下，利用金属抛光盘（如Ni、Fe）与金刚石表面摩擦，促使碳原子向金属中扩散、氧化和石墨化来实现材料去除。在H₂O₂溶液环境中，Fe催化产生的·OH自由基可进一步促进氧化反应。TCP可实现原子级光滑表面，粗糙度低至RMS 0.03 nm，材料去除率在优化条件下可达522 μm/h。

6. 化学机械抛光（CMP）

CMP依靠抛光液中的氧化剂（如KNO₃、KMnO₄、H₂O₂）与金刚石表面发生化学反应形成较软的氧化层，再通过磨料的机械作用去除，从而获得超光滑表面。基于Fenton反应（H₂O₂ + Fe²⁺/Fe³⁺）的CMP能产生大量·OH自由基，高效氧化金刚石表面。CMP可实现SCD表面粗糙度Sa低至0.079 nm的原子级无损抛光，但材料去除率通常低于1 μm/h。

7. 动态摩擦抛光（DFP）

DFP利用高速旋转的金属抛光盘与金刚石表面摩擦产生的高温（>900 °C），诱导金刚石石墨化和非晶化，进而通过机械磨损和氧化（生成CO/CO₂）去除材料。该技术效率极高，材料去除率可达222 μm/h，但抛光精度有限（表面粗糙度通常>20 nm），且高速摩擦下金属抛光盘易发生高温变形。

8. 能量场辅助抛光

8.1. 等离子体辅助抛光（PAP）

PAP利用Ar基氧气等离子体活化抛光盘（如石英、蓝宝石）和金刚石表面，通过等离子体诱导的化学氧化（形成C-O键）和轻微机械作用实现材料去除。这是一种高效、高质量、近无损的抛光技术，可实现SCD表面粗糙度Sq < 0.5 nm，材料去除率可达13.3 μm/h。

8.2. 激光辅助抛光（LAP）

LAP包括激光在线同步辅助和激光预处理辅助两种形式。紫外激光（如172 nm）照射能活化抛光盘表面，形成亲水性的-Al-OH基团，进而与金刚石表面碳原子发生化学反应（形成C-O-Al键），促进原子级去除。LAP可实现Ra < 0.5 nm的超光滑表面。

8.3. 放电加工（EDM）

EDM通过火花放电产生的高温等离子体（中心温度可达8000–20000 °C）使金刚石表面石墨化、蒸发或溅射来实现材料去除。它主要用于导电的PCD和硼掺杂CVD金刚石薄膜的加工，材料去除率高（可达6.5 mg/min），但表面粗糙度通常限于Ra 0.5 μm左右。

8.4. 超声辅助抛光（UAP）

UAP利用高频超声波能量场，通过超声振动引起的微解离和微磨削作用增强材料去除。该技术能显著提高抛光效率，材料去除率可达200 μm/h，但抛光后表面粗糙度相对较高（PCD可达Ra 0.5 μm）。

8.5. 低温辅助抛光（LTP）

LTP在极低温度（如-177 °C）下进行抛光，通过抑制C-C键的断裂过程，实现原子尺度的材料可控去除。虽然材料去除率极低（约8.04 nm/h），但能获得Ra 0.8 nm的高质量表面，为超精密抛光提供了新思路。

9. 分析与比较

各种抛光技术各有优劣：MP简单低成本但效率低；MCP和DFP效率高但表面质量一般；TCP和CMP能实现原子级精度但效率较低或需要高温；PAP和LAP能实现近无损超精密抛光但设备成本高昂。目前尚无单一技术能同时满足高效率、高精度和低成本的所有要求。未来发展方向在于智能集成机械、化学和能量场效应的多场耦合抛光系统。

10. 结论与展望

金刚石抛光技术正朝着高精度、高效率、低成本的方向发展。MP、MCP、CMP、TCP等传统技术不断优化，PAP、LAP、UAP、EDM等能量场辅助新技术展现出巨大潜力。分子动力学模拟为原子级理解抛光机理提供了强大工具。未来的挑战在于开发高效室温氧化剂、解决高温变形问题、降低复杂设备成本以及实现多技术智能融合，最终实现金刚石的高效、高精度、无损超精密加工。