金剛石憑借其卓越的性能，在力學、光學、熱學和電子學等多個高科技領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。然而，其表面質(zhì)量對應(yīng)用效果有著至關(guān)重要的影響，直接關(guān)系到其在精密制造和高端科技領(lǐng)域的適用性。因此，如何通過先進的拋光技術(shù)有效提升金剛石表面質(zhì)量，已成為當前研究的核心議題。
隨著化學氣相沉積（CVD）金剛石技術(shù)的發(fā)展，大尺寸人工合成金剛石得以規(guī)?；a(chǎn)并獲得廣泛應(yīng)用，但CVD金剛石常伴有薄膜厚度不均勻、應(yīng)力變形、晶粒尺寸不同、取向不一致、位錯密度較高、表面質(zhì)量低等缺點，因此在應(yīng)用前需要進行平整化處理。
然而，金剛石因其超高的硬度、出色的耐磨性以及高化學惰性等特點，增加了表面機械拋光的難度。因此，如何實現(xiàn)高效、低成本且低損傷的拋光，成為關(guān)系到金剛石大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的關(guān)鍵。
機械拋光
機械拋光作為最傳統(tǒng)的金剛石拋光方法，也是目前唯一得到大量應(yīng)用的金剛石拋光方法。機械拋光時，拋光盤以極高的轉(zhuǎn)速（大于2500 r/min）高速旋轉(zhuǎn)，在金剛石工件上施加極大的壓力（大于10 N），該方法利用金剛石磨粒的機械作用實現(xiàn)材料去除，但是加工效率低且易產(chǎn)生加工損傷。機械拋光會造成金剛石工件的表面損傷和亞表面損傷，拋光過程中的機械沖擊會導(dǎo)致拋光表面形成凹坑、亞表面裂紋和晶格損傷，這些損傷無法通過后續(xù)的拋光步驟消除，且光學設(shè)備無法檢測出來。
機械拋光示意圖 圖源：公開網(wǎng)絡(luò)
化學機械拋光
化學機械拋光（chemical mechanical polishing，CMP）是一種超精密拋光的加工方法，通過在機械拋光過程中加入氧化劑，氧化碳原子提高拋光速率。雖然拋光金剛石速率較慢，但有表面損傷小、粗糙度低、設(shè)備簡單、運行維護成本低，拋光后的表面污染較輕等優(yōu)點，在金剛石拋光領(lǐng)域逐漸受到重視。
化學機械拋光示意圖 圖源：公開網(wǎng)絡(luò)
在化學機械拋光過程中，氧化劑扮演著至關(guān)重要的角色，早期以高溫熔融鹽作為氧化劑進行拋光。KNO3、NaNO3、LiNO3、KMnO4、K2FeO4、KIO4、K2Cr2O7 和H2O2是常用的氧化劑，其中部分氧化劑需較高的工作溫度以達到熔點，如KNO3熔點為334℃、NaNO3熔點為307℃。H2O2是一種強氧化劑，使用H2O2溶液作為拋光液，在室溫下進行化學機械拋光后，可得到原子級光滑的表面。
為了進一步提高拋光效率，使金剛石表面均勻光滑，混合氧化劑走進了大眾視野，其中，H2O2及其混合物組成的拋光液成為了金剛石化學拋光的主要選擇。例如，先用鐵板對金剛石樣品拋光2小時，通過熱化學拋光，快速去除金剛石表面劃痕和損傷，再用鐵板在H2O2溶液中對金剛石樣品拋光3小時，可得到晶體有序的超光滑表面。
熱化學拋光
熱化學拋光是以碳原子在熱金屬中的擴散、金剛石轉(zhuǎn)化為石墨和金剛石的氧化為基礎(chǔ)的拋光技術(shù)。熱化學拋光時，金剛石膜在真空、氫氣或惰性氣體氣氛下，在加熱到750~1000℃的熱鐵光盤上轉(zhuǎn)動摩擦，在高溫條件下，通過碳原子向鐵質(zhì)拋光盤擴散來實現(xiàn)金剛石膜的平整化。
通過熱化學拋光可以使金剛石表面達到納米級的粗糙度，雖然熱化學拋光可以得到較好的表面質(zhì)量，但需要在高溫真空條件下進行加工，以至于加工成本過高，未能得到廣泛應(yīng)用。
動態(tài)摩擦拋光
金剛石極高的硬度和優(yōu)異的理化性能卻使其拋光加工非常困難, 將表面粗糙度 從μm級降低到nm級，往往需要幾十到上百小時的拋光時間。
動態(tài)摩擦拋光 ( dynamic friction polishing，DFP) 具有極高的金剛石去除速率，而且克服了其他拋光方法中存在的“拋光速率受拋光晶面取向影響”的問題。單晶金剛石在夾具的夾持下，與高速旋轉(zhuǎn)的金屬拋光盤緊密接觸，通過去除表面 的微凸峰來降低粗糙度。在DFP中金剛石的去除過程為：碳的機械脫離、碳向拋光盤擴散以及碳的氧化。
單晶金剛石的動態(tài)摩擦拋光 圖源：公開網(wǎng)絡(luò)
激光拋光
激光拋光（laser polishing，LP）通過激光束照射到金剛石厚膜表面，使金剛石膜表面溫度升高，進而使被加熱的金剛石表面碳原子氣化和石墨化，從而達到去除材料的目的。 用于金剛石加工的激光可依據(jù)激光脈沖長度和原子晶格碰撞之間的大小關(guān)系分為“熱加工”和“冷加工”兩類。最具代表性的為納秒激光和飛秒激光，對于金剛石而言，其電子和空穴的弛豫時間分別為1.5ps和1.4ps。
激光與電子、晶格相互作用模型 (a) 納秒激光；(b) 飛秒激光 圖源：公開網(wǎng)絡(luò)
激光加工是目前金剛石的主流加工方法，相較于傳統(tǒng)的機械加工形式，激光加工精度高、效率高、普適性強，因而在金剛石切割、微孔成型、微槽道加工及平整化等方面均得到廣泛應(yīng)用。
離子束拋光
離子束拋光（ion beam polishing，IBP）可實現(xiàn)精細化拋光，IBP利用氧或具有較大濺射率的惰性氣體（Ar）離子，對金剛石膜進行濺射刻蝕。等離子轟擊金剛石表面以去除碳原子，當高能離子與金剛石表面碰撞時，金剛石晶體結(jié)構(gòu)被破壞，碳原子就從金剛石膜表面濺射出來，從而達到表面拋光的目的。該方法雖然能在很小的尺度上去除脆硬材料，但容易在襯底表面留下波紋。
等離子體拋光
等離子體輔助拋光（plasma assisted polishing，PAP）是一種新型的干法化學拋光方法，其是先利用等離子體活化金剛石表面，進一步使用“軟磨料”去除變質(zhì)層。該方法可用于金剛石精細化拋光，可提高金剛石表面光潔度。
等離子體輔助機械拋光裝置 圖源：公開網(wǎng)絡(luò)
最后
綜上所述，金剛石拋光技術(shù)在現(xiàn)代工業(yè)中扮演著至關(guān)重要的角色，其應(yīng)用范圍從半導(dǎo)體制造到珠寶加工，無所不包。隨著科技的不斷進步，拋光技術(shù)也在不斷演變，從傳統(tǒng)的機械拋光到化學機械拋光（CMP），再到新興的等離子體和激光輔助拋光技術(shù)，每一次創(chuàng)新都推動著加工精度的提升和效率的提高。
未來，隨著對材料表面質(zhì)量的要求越來越高，金剛石拋光技術(shù)將繼續(xù)朝著更精細、更高效、更環(huán)保的方向發(fā)展。同時，人工智能和自動化技術(shù)的引入，也將為拋光工藝的優(yōu)化和智能化提供新的可能性。
