中国粉体网讯 近日，江南大学研究团队在《Diamond and Related Materials》上发表了一项成果，首次系统揭示了单晶金刚石在聚焦镓离子束（FIB）加工中的晶向依赖效应，为高精度金刚石刀具的定向加工与性能优化提供了理论支撑。这一发现有望推动半导体、光学元件等领域的超精密制造技术迈向新台阶。
单晶金刚石因其卓越的硬度、耐磨性和化学稳定性而被广泛认为是超精密加工应用的最佳刀具材料。单晶金刚石由碳原子以四面体结构周期性排列形成，不同晶面（如(100)、(110)、(111)）的原子排列密度和化学键方向各异，导致物理性质显著不同。金刚石晶向决定刀具性能，通过系统优化晶体取向，可以大幅提高刀具寿命和加工精度，从而满足超精密加工对高精度和高效性的严格要求。
单晶金刚石（100）、（110）、（111）晶体取向的俯视图
团队重点研究了单晶金刚石聚焦镓离子束（FIB）加工的晶体取向依赖性机制。通过分子动力学模拟和对（100）、（110）和（111）晶体取向的溅射产率、次表面损伤和石墨化等关键参数的实验比较，阐明了晶体取向对离子-材料相互作用的机理。
实验结果表明，在相同加工条件下，(110)晶向的溅射效率明显高于(100)与(111)晶向，加工深度最大，去除效率最佳。然而拉曼光谱分析发现，(110)晶向更易发生sp3向sp2的转变，即更易石墨化与无序化，表现出较高的损伤敏感性；相比之下，(111)晶向结构最为稳定，损伤程度最低。
不同晶体取向的单晶金刚石在镓离子刻蚀下的SEM图像（左上），不同取向单晶金刚石的平均溅射产率（右上），不同晶体取向刻蚀金刚石的拉曼光谱（下方）
分子动力学模拟进一步揭示了这一现象的原子尺度机理：由于(110)晶向具有更宽的原子通道与较低的入射阻力，Ga离子能够以更慢的能量衰减速度深入晶体内部，形成更深、更广的损伤层，并促进石墨化区域的扩展。这种高效去除与高损伤并存的特性意味着，在追求高去除效率时可优先选用(110)晶向，而在注重刀刃质量与结构完整性时则应选择(100)或(111)晶向。
不同晶向损伤横截面图像，（a）5keV能量，（b）10keV能量，白色代表损伤
合理选择单晶金刚石刀具的晶面，不仅能提升加工质量，还能延长刀具寿命，提高生产效率。此研究为单晶金刚石刀具的定向加工与性能优化提供了理论依据，并为超精密加工中不同功能部位的晶向选取提供了重要参考。
参考来源：超硬天地、Diamond and Related Materials
（中国粉体网编辑整理/石语）
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