近日，上海交通大學沈彬教授課題組在高性能磨粒領域取得了重要進展，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，首次實現了傳統磨粒物理性能極限的突破。該研究不僅提升了傳統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方案。

       1、光鮮的新一代半導體，背后的拋光成難題

       半導體材料被譽為現代工業(yè)的“糧食”，是電子器件產品的核心材料，帶動著高科技信息技術快速發(fā)展。硅和鍺、砷化鎵和磷化銦作為前兩代半導體材料，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下所需求的，在此背景下，金剛石、碳化硅等新一代半導體已經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、航空航天等領域廣泛應用于高溫、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、電學、熱學、光學性能而受到了重點關注，甚至被稱為 “終極半導體”。
       碳化硅、金剛石等這類材料具有本身硬度大、脆性大、化學惰性強等特點，這也導致其表面加工成為一大難題：難以同時保證高拋光質量和高拋光速率。

碳化硅 CMP示意圖

       目前半導體晶圓的平坦化都是采用化學機械拋光技術實現的，這種技術是通過拋光液中磨粒的切磨和拋磨作用來實現拋光目的。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、金剛石這類硬質材料而言，傳統的SiO2、CeO2等軟質磨料顯然乏力。目前研究較多的是采用金剛石磨粒，然而傳統金剛石磨粒耐磨損性能有限且材料去除質量差，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)現后迅速成為了全世界的研究熱點，石墨烯的結構相當穩(wěn)定，力學性能極高，具有超高的本征強度與面內耐磨損性能，將石墨烯與金剛石磨粒結合可否實現性能的進一步突破？
       石墨烯與金剛石異質結合不少人也在研究，主要方法有轉移法、化學氣相沉積法（CVD）、金屬催化法等。轉移法是將石墨烯物理轉移到金剛石表面，高質量的石墨烯可以通過從高定向石墨中機械剝離，或者化學氣相沉積法獲得。轉移法的步驟比較復雜，且在轉移過程中容易導致石墨烯薄膜產生缺陷，從而影響石墨烯的性能。同時轉移法對金剛石表面粗糙度要求高，在轉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，構筑了一種鎵-金剛石“細胞式”的懸浮浸潤網絡，從而實現了金剛石顆粒多表面的原位石墨烯生長與批量制備。這種“細胞式”的懸浮浸潤策略可實現千克級的石墨烯-金剛石共價異質顆粒的制備，相比傳統的制備方法的有效產率提升3-5個數量級，具有廣闊的工業(yè)應用前景。相比傳統金剛石磨粒，這一新型磨粒在超硬半導體材料（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量，其原子級材料去除率是傳統金剛石磨粒的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

       這一突破為實現超硬半導體的高效無損傷拋光提供了創(chuàng)新性的技術方案。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、儲能系統的功能添加劑，以及通過燒結或增材制造技術制備具有優(yōu)異導電性和導熱性的高性能塊體材料等方面同樣具有廣闊的應用前景。
       碳基半導體（包括金剛石、碳化硅、石墨烯和碳納米管等）因其超寬禁帶、高熱導率、高載流子遷移率以及優(yōu)異的化學穩(wěn)定性等卓越的特性，正在成為解決傳統硅基半導體材料逐漸逼近物理極限問題的關鍵途徑。在人工智能、5G/6G通信、新能源汽車等迅猛發(fā)展的新興產業(yè)領域表現出廣闊的應用前景。尤其是在當前不確定的國際局勢和貿易環(huán)境背景下，碳基半導體戰(zhàn)略意義凸顯，成為多國布局的重要賽道。