《Diamond and Related Materials》：Dual-light-field regulated atomic surface for diamond polishing
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•通过紫外/红外双光场协同抛光，在6小时内实现金刚石表面0.28 nm的粗糙度。•创新双光抛光机制：紫外光氧化表面，红外光诱导非晶化。•通过紧凑型抛光设备，实现大面积（5 × 5 mm2）、无损伤平坦化，无需化学添加剂。引言单晶金刚石（SCD）兼具优异的力学[1], [2]、电子
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通过紫外/红外双光场协同抛光，在6小时内实现金刚石表面0.28 nm的粗糙度。
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创新双光抛光机制：紫外光氧化表面，红外光诱导非晶化。
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通过紧凑型抛光设备，实现大面积（5 × 5 mm2）、无损伤平坦化，无需化学添加剂。
引言
单晶金刚石（SCD）兼具优异的力学[1], [2]、电子和热学性能[3], [4], [5], [6], [7], [8], [9]，使其成为下一代半导体器件和高功率激光窗口的关键材料。这些应用要求表面具有原子级平滑度，因为纳米级表面缺陷会散射光、捕获载流子并导致器件失效[10]。然而，在金刚石上制备这种原子级光滑表面仍然是原子尺度制造中持续存在的挑战之一：赋予金刚石技术价值的硬度和化学惰性同样使其极难抛光。
现有的精加工路线在表面质量、加工效率和环境兼容性之间存在根本性权衡。传统机械抛光对环境友好，但由于严重的工具磨损，往往产生不足的表面质量[11], [12]。化学机械抛光（CMP）可以实现原子级光滑度[13], [14]，但传统浆料可能含有有毒或腐蚀性成分，并产生昂贵的废液[15]。近期研究已将绿色高效CMP扩展到金刚石[16], [17]、铝合金、蓝宝石、铜和硅[18], [19], [20], [21]，以及石英玻璃、环氧树脂、骨科植入物和其他难加工表面[22], [23], [24], [25], [26]，证明浆料化学、复合磨料、抛光盘设计、温度控制、多尺度建模和微纳米气泡辅助传输可以共同促进原子级平坦化。一项相关的跨尺度研究进一步将宏观抛光性能与纳米尺度材料去除行为联系起来[27]。尽管如此，许多这些路线仍然依赖于特定材料的浆料、化学添加剂或复杂耗材。热化学抛光、动态摩擦抛光、离子束刻蚀和等离子体辅助抛光各自解决了这一权衡的一部分[28], [29], [30], [31], [32]，而能量束和激光辅助加工提供快速材料去除，但可能产生热梯度和热影响区，从而降低表面质量[1], [2]。近年来，紫外辅助机械抛光引起了广泛关注，因为它无需化学浆料即可促进表面氧化，并能产生光滑表面[33], [34], [35]，但达到亚纳米粗糙度所需的时间仍然较长。因此，添加辅助光场（如近红外（NIR）辐照）可能提供一种有前景的方法来调节抛光效率和近表面结构，而无需引入氧化剂或催化剂。在近红外辅助抛光中，辐射透过SCD并被底层抛光盘吸收，产生局部界面加热，促进表面反应和结构转变。
在这里，我们介绍一种金刚石表面的双光场调控策略，该抛光策略耦合了横向近红外（NIR）辐照与直接紫外（UV）辐照。在该策略中，紫外光通过与环境中的水和氧气反应激活金刚石表面化学，而近红外辐射被铸铁抛光盘吸收并转化为局部界面加热，以调控近表面结构。我们证明这种双光场调控同时实现：（i）在毫米级（5 mm × 5 mm）区域上具有0.28 nm的亚纳米表面粗糙度；（ii）通过像差校正扫描透射电子显微镜验证的无损伤表面晶格；（iii）完全无添加剂的工艺，不使用氧化剂、催化剂或浆料；以及（iv）与仅紫外抛光相比，加工时间缩短25%。X射线光电子能谱、拉曼光谱和多尺度模拟揭示了两种光场的互补作用：紫外辐照促进表面碳与环境水和氧气的氧化，而近红外辐照诱导界面加热和晶格振动，有助于在摩擦剪切和接触应力驱动下形成可去除的富sp2非晶层。这种紧凑、无氧化剂、无催化剂的方法为原子级金刚石表面提供了一条环境兼容的途径，并为双波长低功率光场与金刚石材料之间的相互作用提供了见解。
章节片段
材料
实验样品为通过化学气相沉积（CVD）生长的（100）取向单晶金刚石，商业购自宁波晶钻股份有限公司。样品标称尺寸为5 mm × 5 mm × 1 mm，晶体学质量通过X射线衍射（XRD）测量验证。为最小化样品间的差异，所有试样均来自同一生产批次，确保在晶体生长、切割、研磨方面具有相同的加工历史
紫外辅助氧化及金刚石表面去除
紫外辅助抛光实验如图2a所示，紫外光通过光源输出和光纤传输直接辐照到金刚石样品表面。抛光过程在以下参数下进行：抛光盘和样品均以160 rpm旋转，施加压力为1 MPa，样品距抛光盘中心5.5 cm。X射线光电子能谱（XPS）C1s光谱
结论
紫外-红外处理在SCD抛光过程中耦合了两种不同的界面响应。紫外辐照促进涉及环境水和氧气的氧化，而近红外辐射主要被铁抛光盘吸收并产生局部界面加热，热学上有助于在摩擦剪切和接触应力驱动下形成富sp2非晶表面层。它们的组合产生了更光滑的表面，并且比单独任一处理更快达到目标粗糙度
CRediT作者贡献声明
曾国达：方法学、调查、数据管理。顾楠：方法学、调查、数据管理、概念化。王天一：调查。孙友鹏：调查。朱振明：调查。关世宇：方法学、调查、数据管理。刘建平：调查、数据管理。陈定波：资源、项目管理。吴苏勇：资源、调查。谢子龙：写作-初稿、概念化。谭中奇：监督、资源、项目
写作过程中生成式AI和AI辅助技术的声明
本工作完全未以任何形式使用AI技术。
资助
本工作得到国家自然科学基金（62375285）、湖南省科技创新计划（2025RC1047）以及国防科技大学自主创新科学基金（24-ZZCX-XXXX-01-04）的资助。
利益冲突声明
作者声明，他们不存在已知的竞争性经济利益或个人关系，可能影响本论文所报告的工作。
曾国达|顾楠|王天一|孙友鹏|朱振明|关世宇|刘建平|陈定波|吴苏勇|谢子龙|谭中奇
