近日，江南大学研究团队在材料科学领域权威期刊《Diamond and Related Materials》上发表了一项突破性成果，首次系统揭示了单晶金刚石在聚焦镓离子束（FIB）加工中的晶向依赖效应，为高精度金刚石刀具的定向加工与性能优化提供了理论支撑。这一发现有望推动半导体、光学元件等领域的超精密制造技术迈向新台阶。
一、晶向决定加工效果：高效与低损难兼得
单晶金刚石因其极高的硬度、热导率和化学稳定性，被誉为“终极刀具材料”，广泛应用于航空航天、半导体芯片切割等高端制造领域。然而，其加工过程中极易因离子束轰击产生石墨化、晶格损伤等问题，导致刀具性能下降。如何平衡加工效率与材料损伤，一直是行业难题。
研究团队通过实验与分子动力学模拟发现，金刚石不同晶向对FIB加工的响应存在显著差异：
(110)晶向：高效但易损伤
在相同加工条件下，(110)晶向的溅射效率（材料去除率）比(100)和(111)晶向高，加工深度最大。但拉曼光谱分析显示，其结构更易从稳定的sp³杂化（金刚石结构）转变为sp²杂化（石墨结构），损伤敏感性高，刀刃边缘易出现无序化。
(111)晶向：稳定但效率低
(111)晶向表现出最优的结构稳定性，离子束诱导的损伤最小，但材料去除率较(110)晶向低。
(100)晶向：折中选择
该晶向的加工效率与损伤程度介于前两者之间，适合对性能要求适中的场景。
二、原子尺度揭秘：离子通道宽度成关键
通过分子动力学模拟，团队进一步揭示了晶向差异的微观机理：
金刚石的(110)晶面具有更宽的原子通道和更低的入射阻力，镓离子可深入晶体内部，能量衰减较慢，从而形成更深、更广的损伤层，并加速石墨化区域扩展。而(111)晶面的紧密原子排列则像一道“天然屏障”，有效阻挡离子渗透，减少损伤。
三、从实验室到产业：晶向选择策略
追求高去除效率（如粗加工、快速成型）：优先选用(110)晶向；
注重刀刃质量与结构完整性（如精密抛光、微纳结构加工）：选择(100)或(111)晶向；
复合功能部件：可根据不同区域的需求，通过晶向拼接实现性能优化。
例如，在半导体晶圆切割刀具中，刀刃部分可采用(111)晶向以保证锋利度与耐久性，而刀体支撑部分则选用(110)晶向以提高材料去除效率，降低制造成本。
图文资料：
四、科普链接：什么是单晶金刚石的“晶向”？
单晶金刚石由碳原子以四面体结构周期性排列形成，不同晶面（如(100)、(110)、(111)）的原子排列密度和化学键方向各异，导致物理性质显著不同。
五、未来展望：推动超精密制造革命
该研究为单晶金刚石刀具的定向加工与性能优化提供了理论依据，并为超精密加工中不同功能部位的晶向选取提供了重要参考。随着5G、量子计算等新兴技术对超精密元件的需求激增，定向加工技术有望成为突破制造瓶颈的关键利器。
本文参考江南大学研究团队论文《Orientation-dependent effects in single-crystal diamond during focused gallium ion beam processing》及相关科普资料整理。
