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2022
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激光在金刚石及硬脆性材料精密加工中的应用
所属分类：
行业媒体
金刚石具有良好的力学性能，其摩擦系数极低( 0.08~0.1)，天然状态的硬度最高( 100 GPa)，并且具有耐磨性好､化学稳定性良好､导热系数高( 2×103 W/(m×K))､电阻大( >1013 Ω·cm)､透射率高等优点[1-3]｡金刚石作为未来科技中的一种重要材料，其性能已得到充分展示，例如用作核聚变反应堆中的兆瓦回旋振荡管的高倍光学镜片[4]､ X 射线光学组件[5]､高功率密度散热器[6]､拉曼激光光学镜片[7]､用于在高压条件下进行科研的金刚石材料制成的部件[8]､量子计算机上的光电学器件[9]､生物芯片衬底和传感器[10]､两极性的金刚石电子器件[11]等｡
依据结构划分，金刚石分为单晶金刚石和多晶金刚石｡多晶金刚石具有良好的耐磨性，硬度是硬质合金的 2~4 倍，刀具寿命是硬质合金的 10 倍｡与单晶金刚石相比，多晶金刚石晶粒成无序排列，韧性好，可以承受较高的压力，当受到较大的压力时不会出现大面积破碎，而单晶金刚石很容易沿某个方向破碎｡这些特性使其成为优异的刀具材料， 多晶金刚石与非金属和有色金属材料之间的亲和力极低，在使用过程中不易产生粘刀，被视为加工有色金属和难加工非金属材料的理想刀具｡与多晶金刚石相比，单晶金刚石不存在晶界和缺陷，晶格结构与现有的单晶硅相似，但是在电性能上却大大超过单晶硅｡目前，全球 90%以上的电子器件都采用硅｡由于电子器件的功率越来越大，而单晶硅的性能决定了它不能在高频大功率､ 高温工作环境下工作｡然而，金刚石不仅具有极低的介电常数，而且其禁带宽､载流子迁移率高､热导高､击穿电压高，金刚石掺杂适量的硼原子可半导体化， 这使其成为优异的半导体材料， 如金刚石半导体可以在 600 ℃ 的高温下进行工作，是硅半导体的 2 倍，工作频率可达到81 GHz，可应用于微波､毫米波段超高速计算机芯片等领域，被认为是未来最理想的半导体衬底材料[12]｡
常用的刀具材料有高速钢､硬质合金和涂层材料，多晶金刚石既具有金刚石的硬度，又具有硬质合金的韧性和可焊性， 多晶金刚石刀具逐渐成为主要的刀具材料｡半导体材料技术的发展经历了硅､砷化镓､碳化硅(氮化镓)三代材料体系，目前正处于第三代材料的快速发展期｡ 单晶金刚石属于第四代半导体材料，既是半导体技术领域升级换代的内在需求和发展方向，也是未来支撑以智能化为特征的产业升级和高新技术产业发展的战略性电子信息材料｡ 积极开展以金刚石为代表的第四代半导体材料的技术积累， 对实现“创新驱动发展” 国家战略具有重要的前瞻性意义｡要将金刚石用作刀具材料和半导体衬底， 也要经过切片､抛光等加工程序，以便获得超平坦､超光滑､无损伤､无污染的表面｡
关键词：
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