中國(guó)粉體網(wǎng)訊 近日，上海交通大學(xué)沈彬教授課題組在高性能磨粒領(lǐng)域取得了重要進(jìn)展，該課題組在機(jī)械頂刊《International Journal of Machine Tools and Manufacture》發(fā)表了題為“Covalently armoring graphene on diamond abrasives with unprecedented wear resistance and abrasive performance”的研究論文，通過(guò)石墨烯以共價(jià)鍵界面裝甲金剛石磨粒，首次實(shí)現(xiàn)了傳統(tǒng)磨粒物理性能極限的突破。該研究不僅提升了傳統(tǒng)磨粒的耐磨損與拋光性能，也為基于液態(tài)金屬催化的微/納米顆粒表面原位改性提供了新的技術(shù)方案。
光鮮的新一代半導(dǎo)體，背后的拋光成難題
半導(dǎo)體材料被譽(yù)為現(xiàn)代工業(yè)的“糧食”，是電子器件產(chǎn)品的核心材料，帶動(dòng)著高科技信息技術(shù)快速發(fā)展。硅和鍺、砷化鎵和磷化銦作為前兩代半導(dǎo)體材料，因?yàn)槲锢硖匦缘闹T多限制，不適合制備耐高壓、高頻及高功率器件。能夠在高溫、高頻、功率大、輻射強(qiáng)等極端環(huán)境下穩(wěn)定工作的電子器件是當(dāng)下所需求的，在此背景下，金剛石、碳化硅等新一代半導(dǎo)體已經(jīng)成為了世界各國(guó)的重點(diǎn)研究對(duì)象。
碳化硅晶片
碳化硅（SiC）具有寬禁帶、高熱導(dǎo)率、高擊穿電場(chǎng)、高電子飽和漂移速率和優(yōu)異熱穩(wěn)定性能等物理特性，并且化學(xué)性能穩(wěn)定，有著很強(qiáng)的耐腐蝕性。因?yàn)檫@些優(yōu)異的性能，碳化硅在核能、軍工、航空航天等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用于高溫、高壓、高頻、大功率等極端環(huán)境。
金剛石也因具有優(yōu)異的力學(xué)、電學(xué)、熱學(xué)、光學(xué)性能而受到了重點(diǎn)關(guān)注，甚至被稱為 “終極半導(dǎo)體”。
碳化硅、金剛石等這類材料具有本身硬度大、脆性大、化學(xué)惰性強(qiáng)等特點(diǎn)，這也導(dǎo)致其表面加工成為一大難題：難以同時(shí)保證高拋光質(zhì)量和高拋光速率。
碳化硅 CMP示意圖
目前半導(dǎo)體晶圓的平坦化都是采用化學(xué)機(jī)械拋光技術(shù)實(shí)現(xiàn)的，這種技術(shù)是通過(guò)拋光液中磨粒的切磨和拋磨作用來(lái)實(shí)現(xiàn)拋光目的。磨料作為該過(guò)程中機(jī)械作用的主要載體，其種類、物化性能等對(duì)拋光效果有著重要影響。對(duì)碳化硅、金剛石這類硬質(zhì)材料而言，傳統(tǒng)的SiO2、CeO2等軟質(zhì)磨料顯然乏力。目前研究較多的是采用金剛石磨粒，然而傳統(tǒng)金剛石磨粒耐磨損性能有限且材料去除質(zhì)量差，難以滿足超硬材料表面的高效精密拋光需求。
如何讓金剛石的“磨力”更上一層樓呢？
石墨烯、金剛石聯(lián)手作戰(zhàn)！
金剛石是一種超硬磨料不作過(guò)多闡述。石墨烯是由碳原子以sp2雜化方式形成的蜂巢狀二維碳納米材料，這種新穎獨(dú)特的材料自被發(fā)現(xiàn)后迅速成為了全世界的研究熱點(diǎn)，石墨烯的結(jié)構(gòu)相當(dāng)穩(wěn)定，力學(xué)性能極高，具有超高的本征強(qiáng)度與面內(nèi)耐磨損性能，將石墨烯與金剛石磨粒結(jié)合可否實(shí)現(xiàn)性能的進(jìn)一步突破？
石墨烯與金剛石異質(zhì)結(jié)合不少人也在研究，主要方法有轉(zhuǎn)移法、化學(xué)氣相沉積法（CVD）、金屬催化法等。轉(zhuǎn)移法是將石墨烯物理轉(zhuǎn)移到金剛石表面，高質(zhì)量的石墨烯可以通過(guò)從高定向石墨中機(jī)械剝離，或者化學(xué)氣相沉積法獲得。轉(zhuǎn)移法的步驟比較復(fù)雜，且在轉(zhuǎn)移過(guò)程中容易導(dǎo)致石墨烯薄膜產(chǎn)生缺陷，從而影響石墨烯的性能。同時(shí)轉(zhuǎn)移法對(duì)金剛石表面粗糙度要求高，在轉(zhuǎn)移后石墨烯薄膜與金剛石之間僅依靠微弱范德華力連接，石墨烯容易脫落，無(wú)法滿足機(jī)械磨拋應(yīng)用。
采用液態(tài)金屬鎵催化金剛石表面相變或采用激光機(jī)械耦合制備方法可以實(shí)現(xiàn)金剛石表面原位制備具有共價(jià)鍵界面的石墨烯片層，但該方法目前只適用于平面，而無(wú)法滿足具有多層級(jí)、多表面的顆粒制備的需求。
石墨烯共價(jià)裝甲金剛石磨粒示意圖
針對(duì)這一難題，上海交通大學(xué)沈彬教授課題組將液態(tài)金屬鎵微液滴化與快速原位裹覆金剛石顆粒，構(gòu)筑了一種鎵-金剛石“細(xì)胞式”的懸浮浸潤(rùn)網(wǎng)絡(luò)，從而實(shí)現(xiàn)了金剛石顆粒多表面的原位石墨烯生長(zhǎng)與批量制備。這種“細(xì)胞式”的懸浮浸潤(rùn)策略可實(shí)現(xiàn)千克級(jí)的石墨烯-金剛石共價(jià)異質(zhì)顆粒的制備，相比傳統(tǒng)的制備方法的有效產(chǎn)率提升3-5個(gè)數(shù)量級(jí)，具有廣闊的工業(yè)應(yīng)用前景。相比傳統(tǒng)金剛石磨粒，這一新型磨粒在超硬半導(dǎo)體材料（金剛石、碳化硅等）的拋光加工中具有更高的拋光效率與更高的拋光質(zhì)量，其原子級(jí)材料去除率是傳統(tǒng)金剛石磨粒的5倍。
石墨烯共價(jià)裝甲金剛石磨粒的制備
石墨烯共價(jià)裝甲金剛石磨粒（GDA）與傳統(tǒng)金剛石磨粒的拋光性能對(duì)比（拋光工件為金剛石）：GDA拋光效率顯著提升，拋光表面無(wú)裂紋
這一突破為實(shí)現(xiàn)超硬半導(dǎo)體的高效無(wú)損傷拋光提供了創(chuàng)新性的技術(shù)方案。此外，這種多功能粉末材料憑借其大比表面積和優(yōu)異的界面強(qiáng)度，在電催化高性能電極、儲(chǔ)能系統(tǒng)的功能添加劑，以及通過(guò)燒結(jié)或增材制造技術(shù)制備具有優(yōu)異導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性的高性能塊體材料等方面同樣具有廣闊的應(yīng)用前景。
參考來(lái)源：上海交通大學(xué)沈彬課題組
（中國(guó)粉體網(wǎng)/山川）
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