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       近日，上海交通大学沈彬教授课题组在高性能磨粒领域取得了重要进展，该课题组在机械顶刊《International Journal of Machine Tools and Manufacture》发表了题为“Covalently armoring graphene on diamond abrasives with unprecedented wear resistance and abrasive performance”的研究论文，通过石墨烯以共价键界面装甲金刚石磨粒，首次实现了传统磨粒物理性能极限的突破。该研究不仅提升了传统磨粒的耐磨损与抛光性能，也为基于液态金属催化的微/纳米颗粒表面原位改性提供了新的技术方案。

       1、光鲜的新一代半导体，背后的抛光成难题

       半导体材料被誉为现代工业的“粮食”，是电子器件产品的核心材料，带动着高科技信息技术快速发展。硅和锗、砷化镓和磷化铟作为前两代半导体材料，因为物理特性的诸多限制，不适合制备耐高压、高频及高功率器件。能够在高温、高频、功率大、辐射强等极端环境下稳定工作的电子器件是当下所需求的，在此背景下，金刚石、碳化硅等新一代半导体已经成为了世界各国的重点研究对象。

碳化硅晶片

       碳化硅（SiC）具有宽禁带、高热导率、高击穿电场、高电子饱和漂移速率和优异热稳定性能等物理特性，并且化学性能稳定，有着很强的耐腐蚀性。因为这些优异的性能，碳化硅在核能、军工、航空航天等领域广泛应用于高温、高压、高频、大功率等极端环境。
       金刚石也因具有优异的力学、电学、热学、光学性能而受到了重点关注，甚至被称为 “终极半导体”。
       碳化硅、金刚石等这类材料具有本身硬度大、脆性大、化学惰性强等特点，这也导致其表面加工成为一大难题：难以同时保证高抛光质量和高抛光速率。

碳化硅 CMP示意图

       目前半导体晶圆的平坦化都是采用化学机械抛光技术实现的，这种技术是通过抛光液中磨粒的切磨和抛磨作用来实现抛光目的。磨料作为该过程中机械作用的主要载体，其种类、物化性能等对抛光效果有着重要影响。对碳化硅、金刚石这类硬质材料而言，传统的SiO2、CeO2等软质磨料显然乏力。目前研究较多的是采用金刚石磨粒，然而传统金刚石磨粒耐磨损性能有限且材料去除质量差，难以满足超硬材料表面的高效精密抛光需求。
       如何让金刚石的“磨力”更上一层楼呢？
       2、石墨烯、金刚石联手作战！
       金刚石是一种超硬磨料不作过多阐述。石墨烯是由碳原子以sp2杂化方式形成的蜂巢状二维碳纳米材料，这种新颖独特的材料自被发现后迅速成为了全世界的研究热点，石墨烯的结构相当稳定，力学性能极高，具有超高的本征强度与面内耐磨损性能，将石墨烯与金刚石磨粒结合可否实现性能的进一步突破？
       石墨烯与金刚石异质结合不少人也在研究，主要方法有转移法、化学气相沉积法（CVD）、金属催化法等。转移法是将石墨烯物理转移到金刚石表面，高质量的石墨烯可以通过从高定向石墨中机械剥离，或者化学气相沉积法获得。转移法的步骤比较复杂，且在转移过程中容易导致石墨烯薄膜产生缺陷，从而影响石墨烯的性能。同时转移法对金刚石表面粗糙度要求高，在转移后石墨烯薄膜与金刚石之间仅依靠微弱范德华力连接，石墨烯容易脱落，无法满足机械磨抛应用。
       采用液态金属镓催化金刚石表面相变或采用激光机械耦合制备方法可以实现金刚石表面原位制备具有共价键界面的石墨烯片层，但该方法目前只适用于平面，而无法满足具有多层级、多表面的颗粒制备的需求。

石墨烯共价装甲金刚石磨粒示意图

       针对这一难题，上海交通大学沈彬教授课题组将液态金属镓微液滴化与快速原位裹覆金刚石颗粒，构筑了一种镓-金刚石“细胞式”的悬浮浸润网络，从而实现了金刚石颗粒多表面的原位石墨烯生长与批量制备。这种“细胞式”的悬浮浸润策略可实现千克级的石墨烯-金刚石共价异质颗粒的制备，相比传统的制备方法的有效产率提升3-5个数量级，具有广阔的工业应用前景。相比传统金刚石磨粒，这一新型磨粒在超硬半导体材料（金刚石、碳化硅等）的抛光加工中具有更高的抛光效率与更高的抛光质量，其原子级材料去除率是传统金刚石磨粒的5倍。

石墨烯共价装甲金刚石磨粒的制备

       石墨烯共价装甲金刚石磨粒（GDA）与传统金刚石磨粒的抛光性能对比（抛光工件为金刚石）：GDA抛光效率显著提升，抛光表面无裂纹

       这一突破为实现超硬半导体的高效无损伤抛光提供了创新性的技术方案。此外，这种多功能粉末材料凭借其大比表面积和优异的界面强度，在电催化高性能电极、储能系统的功能添加剂，以及通过烧结或增材制造技术制备具有优异导电性和导热性的高性能块体材料等方面同样具有广阔的应用前景。
       碳基半导体（包括金刚石、碳化硅、石墨烯和碳纳米管等）因其超宽禁带、高热导率、高载流子迁移率以及优异的化学稳定性等卓越的特性，正在成为解决传统硅基半导体材料逐渐逼近物理极限问题的关键途径。在人工智能、5G/6G通信、新能源汽车等迅猛发展的新兴产业领域表现出广阔的应用前景。尤其是在当前不确定的国际局势和贸易环境背景下，碳基半导体战略意义凸显，成为多国布局的重要赛道。