近日，上海交通大學(xué)沈彬教授課題組在高性能磨粒領(lǐng)域取得了重要進展，該課題組在機械頂刊《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，通過石墨烯以共價鍵界面裝甲金剛石磨粒，首次實現(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。

       1、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，因為物理特性的諸多限制，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)成為了世界各國的重點研究對象。

碳化硅晶片

       碳化硅（SiC）具有寬禁帶、高熱導(dǎo)率、高擊穿電場、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，有著很強的耐腐蝕性。因為這些優(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)惰性強等特點，這也導(dǎo)致其表面加工成為一大難題：難以同時保證高拋光質(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)機械拋光技術(shù)實現(xiàn)的，這種技術(shù)是通過拋光液中磨粒的切磨和拋磨作用來實現(xiàn)拋光目的。磨料作為該過程中機械作用的主要載體，其種類、物化性能等對拋光效果有著重要影響。對碳化硅、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？
       2、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，這種新穎獨特的材料自被發(fā)現(xiàn)后迅速成為了全世界的研究熱點，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)合可否實現(xiàn)性能的進一步突破？
       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從高定向石墨中機械剝離，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。同時轉(zhuǎn)移法對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，無法滿足機械磨拋應(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械耦合制備方法可以實現(xiàn)金剛石表面原位制備具有共價鍵界面的石墨烯片層，但該方法目前只適用于平面，而無法滿足具有多層級、多表面的顆粒制備的需求。

石墨烯共價裝甲金剛石磨粒示意圖

       針對這一難題，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”的懸浮浸潤網(wǎng)絡(luò)，從而實現(xiàn)了金剛石顆粒多表面的原位石墨烯生長與批量制備。這種“細(xì)胞式”的懸浮浸潤策略可實現(xiàn)千克級的石墨烯-金剛石共價異質(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個數(shù)量級，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，其原子級材料去除率是傳統(tǒng)金剛石磨粒的5倍。

石墨烯共價裝甲金剛石磨粒的制備

       石墨烯共價裝甲金剛石磨粒（GDA）與傳統(tǒng)金剛石磨粒的拋光性能對比（拋光工件為金剛石）：GDA拋光效率顯著提升，拋光表面無裂紋

       這一突破為實現(xiàn)超硬半導(dǎo)體的高效無損傷拋光提供了創(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)異的界面強度，在電催化高性能電極、儲能系統(tǒng)的功能添加劑，以及通過燒結(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。
       碳基半導(dǎo)體（包括金剛石、碳化硅、石墨烯和碳納米管等）因其超寬禁帶、高熱導(dǎo)率、高載流子遷移率以及優(yōu)異的化學(xué)穩(wěn)定性等卓越的特性，正在成為解決傳統(tǒng)硅基半導(dǎo)體材料逐漸逼近物理極限問題的關(guān)鍵途徑。在人工智能、5G/6G通信、新能源汽車等迅猛發(fā)展的新興產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域表現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。尤其是在當(dāng)前不確定的國際局勢和貿(mào)易環(huán)境背景下，碳基半導(dǎo)體戰(zhàn)略意義凸顯，成為多國布局的重要賽道。