近日，北京科技大學(xué)李成明/劉金龍團(tuán)隊(duì)與香港大學(xué)陸洋團(tuán)隊(duì)合作，在《Nature Communications》期刊上發(fā)表重要研究成果，成功制備出直徑達(dá)5英寸、硬度約208.3GPa的超硬金剛石晶圓。該成果突破了長(zhǎng)期以來(lái)大尺寸與超高硬度難以兼顧的技術(shù)瓶頸，為超精密加工、半導(dǎo)體制造、航空航天等高端工業(yè)領(lǐng)域提供了關(guān)鍵材料支持。
該成果以“Inch-Scale Ultrahard Diamond Wafer with 200 GPa Hardness via High-Frequency Pulsed Local Non-Equilibrium Growth”為題發(fā)表在《Nature Communications》期刊。北京科技大學(xué)李成明教授、劉金龍研究員、香港大學(xué)陸洋教授為共同通訊作者，博士生屠菊萍（香港大學(xué)聯(lián)合培養(yǎng)博士，現(xiàn)北京大學(xué)博士后）、香港大學(xué)李嘉祎為論文共同第一作者。
主要內(nèi)容
團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新提出局域非平衡生長(zhǎng)的方法，通過(guò)在等離子體中以高頻方式交替引入氮源，使得等離子體活性基團(tuán)的組成以及生長(zhǎng)溫度在極短時(shí)間內(nèi)持續(xù)發(fā)生波動(dòng)，從而打破傳統(tǒng)穩(wěn)定生長(zhǎng)模式的限制。這種動(dòng)態(tài)調(diào)控機(jī)制不僅強(qiáng)化了表面重構(gòu)與缺陷調(diào)控過(guò)程，還有效促進(jìn)了特殊微觀結(jié)構(gòu)的形成，使金剛石在保持高純度和高致密度的同時(shí)實(shí)現(xiàn)能夠制備出直徑達(dá)英寸級(jí)的超硬金剛石晶圓，為大尺寸超硬材料的規(guī)?；L(zhǎng)提供了新的技術(shù)途徑。
圖1 采用微波等離子體化學(xué)氣相沉積（MPCVD）法制備的金剛石晶圓
通過(guò)維氏硬度計(jì)對(duì)樣品進(jìn)行硬度表征，結(jié)果顯示該金剛石的維氏硬度可高達(dá)208.3 GPa，約為常規(guī)金剛石硬度的兩倍。同時(shí)，該超硬金剛石在耐磨性能方面也展現(xiàn)出顯著優(yōu)勢(shì)，其磨耗比約為常用多晶金剛石襯底的7倍，表明材料在長(zhǎng)期摩擦與沖擊條件下仍能保持極高的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和完整性。此外，該周期摻氮生長(zhǎng)工藝不僅適用于平面基底，也可沉積在三維結(jié)構(gòu)的刀具表面，為高端制造、精密加工及極端環(huán)境器件提供了具有廣泛應(yīng)用前景的超硬涂層解決方案。
圖2 超硬金剛石的力學(xué)性能及其與其他金剛石的比較
通過(guò)高分辨透射電子顯微鏡觀察發(fā)現(xiàn)，超硬金剛石樣品內(nèi)部存在極高密度的三維互鎖層錯(cuò)結(jié)構(gòu)。這些層錯(cuò)具有較小的尺寸和高度交織互鎖的空間分布特征，構(gòu)成了連續(xù)而致密的三維網(wǎng)絡(luò)，有效阻礙了位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，是導(dǎo)致材料硬度顯著提升的主要機(jī)制。局域成分分析結(jié)合理論計(jì)算顯示，氮的引入會(huì)顯著降低層錯(cuò)的形成能，使層錯(cuò)更容易在生長(zhǎng)過(guò)程中產(chǎn)生并得以穩(wěn)定存在。這一結(jié)果說(shuō)明周期性摻氮不僅改變了生長(zhǎng)狀態(tài)，也在原子尺度上促進(jìn)了高密度層錯(cuò)網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建，從而為材料的超高硬度提供了微觀結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。
圖3 金剛石中高密度堆垛層錯(cuò)的微觀結(jié)構(gòu)及增硬力學(xué)機(jī)制
綜上，該研究創(chuàng)新性提出高頻脈沖氮摻雜誘導(dǎo)的局部非平衡生長(zhǎng)策略，在CVD金剛石中構(gòu)建出高密度三維交織堆垛層錯(cuò)網(wǎng)絡(luò)，其形成機(jī)制源于氮摻雜顯著降低堆垛層錯(cuò)形成能，并在動(dòng)態(tài)等離子體擾動(dòng)下促進(jìn)層錯(cuò)成核與交織。該結(jié)構(gòu)使金剛石晶圓實(shí)現(xiàn)208.3 GPa的超高硬度與卓越耐磨性，同時(shí)突破英寸級(jí)尺寸限制，具備直接作為超硬切削工具或涂層的應(yīng)用潛力，為半導(dǎo)體、航空航天等高精度加工領(lǐng)域提供了新一代金剛石材料解決方案，同時(shí)該方法也為豐富碳材料結(jié)構(gòu)與性能調(diào)控手段提供原創(chuàng)路徑。
論文信息
Inch-Scale Ultrahard Diamond Wafer with 200 GPa Hardness via High-Frequency Pulsed Local Non-Equilibrium Growth.
Juping Tu, Jiayi Li, Yong Wang, Yun Zhao, Jinlong Liu*, Junjun Wei, Liangxian Chen, Jianjun Zhang, Yang Lu*, Chengming Li*.
Nature Communications 16: 11303 (2025).
DOI：10.1038/s41467-025-66456-7
