离子束与磁流变协同抛光实现堇青石光学元件超光滑表面的研究

为解决堇青石（Mg2Al4Si5O18）因高硬度导致传统机械抛光难以实现亚纳米级精度的问题，中国科学院上海硅酸盐研究所联合团队采用离子束抛光（IBF）和磁流变抛光（MRF）技术开展协同实验。研究通过优化离子束直径（5 mm）和磁流变液含水量（16.5%），分别获得表面粗糙度Ra值0.533 nm和0.827 nm的超光滑表面，SEM-EDS分析证实两种技术可有效去除表面Al-O键。该成果为半导体光刻机平台和航天光学镜片的轻量化高性能材料加工提供新方案。

　　

在半导体和航天领域，光学元件的表面精度直接决定设备性能极限。传统玻璃陶瓷材料虽能满足低热膨胀需求，但面临重量大、抗辐射性不足的瓶颈。堇青石（Mg₂Al₄Si₅O₁₈）因其独特的六方晶系结构，兼具轻量化、高热稳定性和极低热膨胀系数，被视为下一代光刻机运动平台和空间反射镜的理想材料。然而，这种陶瓷的莫氏硬度高达7-8级，传统机械抛光难以突破1 nm表面粗糙度壁垒，严重制约其光学应用。

针对这一挑战，中国科学院上海硅酸盐研究所联合团队在《Optics》发表研究，首次系统评估离子束抛光（Ion Beam Figuring, IBF）和磁流变抛光（Magnetorheological Finishing, MRF）对堇青石的超精密加工潜力。研究采用直径106 mm的堇青石晶圆，通过机械抛光预处理后，分别使用NTG公司IBF-300设备和国产PKC-1600-Q型MRF设备，系统探究了离子束直径（10 mm/5 mm）、抛光时间、磁流变液含水量（15%/16.5%）等参数对表面质量的影响。

关键技术方法
研究采用阶梯式加工策略：先通过机械抛光获得初始表面（Ra≈10 nm），再分别进行IBF和MRF精加工。IBF实验在真空环境下以氩离子束轰击表面，通过5 mm小束径实现原子级溅射；MRF则利用含羰基铁粉的智能流体在磁场中形成柔性"抛光刃"，通过调控含水量优化剪切应力。表面形貌通过扫描电镜（SEM）和能谱（EDS）表征，粗糙度采用白光干涉仪测量。

Morphology and properties of cordierite
研究团队通过SEM观察到堇青石多晶相结构，EDS图谱显示机械抛光后表面存在明显Al-O键残留（原子比Al:O≈1:2.3）。这种化学键合状态导致表面能不均，是引发光散射的主要因素。

Experimental equipment and principles (IBF)
对比10 mm与5 mm离子束加工发现：小束径（5 mm）在单位时间内产生更高能量密度，使Ra值从1.2 nm降至0.533 nm，且不会诱发晶界热损伤。关键机制在于小束径能精准控制溅射深度，避免多晶材料各向异性导致的"台阶效应"。

Experimental equipment and principles (MRF)
当磁流变液含水量从15%提升至16.5%时，流体黏度下降28%，但剪切应力增加1.7倍。这种"刚柔并济"特性使Ra值从1.05 nm优化至0.827 nm，且材料去除率稳定在2.1×10^-2 mm³/min。

Conclusions
研究证实：1）IBF通过5 mm离子束直径和精确时间控制（30-45 min），可实现堇青石表面Al-O键的选择性去除；2）MRF在16.5%含水量下能产生最优流变性能，兼具纳米级切削力和表面一致性；3）两种技术均未引入亚表面损伤，SEM显示处理后晶界清晰完整。该成果不仅为堇青石光学元件制造提供工艺基准，更开创了陶瓷材料超光滑加工的新范式——通过物理-化学协同作用突破硬度限制，这对开发下一代极紫外（EUV）光刻机组件和空间望远镜镜坯具有战略意义。

值得注意的是，Mingxu Fan等作者在讨论中指出，未来需进一步研究IBF/MRF复合工艺的时序优化，以兼顾效率与精度。该工作获得国家自然科学基金（62475281）等6项资助，体现了我国在高端光学制造领域的自主创新能力。