镍粉对金刚石微粉刻蚀的研究

郑皓宇 汤黎辉 张群飞 肖长江 栗正新

摘 要：为了探究金刚石微粉刻蚀的可行性，将金刚石微粉与镍粉以质量比1：5进行混合，以氮气为保护气氛，在700～900 ℃下用镍粉对金刚石微粉进行刻蚀。用 X射线衍射和扫描电子显微镜对刻蚀好的金刚石的结构和刻蚀效果进行表征。结果表明：镍粉能对金刚石微粉进行刻蚀，且随温度的升高，刻蚀程度加剧，刻蚀面积和深度增加，当温度为900 ℃时，金刚石表面已完全刻蚀。

关键词：金刚石微粉；镍粉；刻蚀；表面形貌

1 前言

金刚石单晶以其卓越的力学和光学性能、高的热导率和较宽的带隙而在超硬材料、磨料磨具、半导体、生物传感器、量子和光子器件等领域取得广泛应用[1-3]。然而，由于金刚石单晶的硬度过高、表面光滑以及高表面能，使得金刚石与其他材料结合时一般只能实现物理结合，而不能发生化学结合，从而导致把持力相对较弱，严重限制了金刚石在实际应用中的广度。为了克服这一问题，常见的做法是对金刚石单晶表面进行刻蚀[4]，通过调整刻蚀剂、刻蚀温度和时间来改变金刚石单晶不同晶面的形貌，增加金刚石单晶表面的粗糙度。刻蚀技术包括熔盐刻蚀、气相刻蚀、金属刻蚀和金属氧化物刻蚀等[5]。在金属刻蚀技术中，通常采用铁、钴、镍等铁族金属，并且该技术已经非常成熟。

在已有的研究中，对金刚石微粉刻蚀的探索相对有限，因此，以金刚石微粉为原材料，以镍粉作为刻蚀剂，在不同温度下对金刚石表面进行刻蚀，探究金刚石微粉刻蚀的可行性和刻蚀效果，为其在材料科学和电子器件制造等领域的应用提供全新的视角。

2 实验

2.1实验原料

实验原料为金刚石微粉（50 μm），由河南惠丰钻石有限公司提供。 Ni粉（1～3 μm），由中航中迈金属材料有限公司提供，纯度为99.0%。

2.2实验过程

（1）金刚石微粉预处理。将金刚石微粉置于质量分数为10%的 HCl溶液中，煮沸10min，待溶液冷却后，通过蒸馏水反复冲洗直至呈中性。随后，将金刚石微粉放入质量分数为10%的 NaOH溶液中，煮沸10min，再次待溶液冷却至室温后，使用蒸馏水进行反复冲洗直至中性，最后，通过鼓风干燥箱将金刚石微粉烘干。

（2）金刚石微粉刻蚀。将处理好的金刚石微粉与镍粉按质量比1：5称量，将它们置于研钵中均匀混合，随后放入石英舟中，并將其压实，以确保充分接触。将石英舟放入真空管式炉中，设置升温、保温、降温程序：以10 ℃/min速率从室温升温到600 ℃，再以5 ℃/min速率升至目标温度（700 ℃、800 ℃和900 ℃）， 保温时间为60 min，刻蚀完成后再以10 ℃/min速率降温至300 ℃，然后自然冷却至室温。整个过程在氮气气氛下进行，每隔一个小时检查一次管式炉情况，确保正常运行，在降温至低于300 ℃后，打开管式炉并取出石英舟。

（3）样品清洗。将浓硝酸与浓盐酸按体积比1：3混合成王水，将刻蚀后的块体放入王水中，用玻璃棒进行搅拌，之后放入超声波清洗机中进行超声振荡，观察到底部沉积有大量金刚石微粉后使用蒸馏水进行多次清洗至中性，随后进行超声波震荡20min，过滤出金刚石微粉。最后，放入鼓风干燥箱中烘干，即可得到镍粉刻蚀后的金刚石微粉。

2.3样品表征

用 X 射线衍射仪（ XR，D8 Advance，Bruker，CuKα，λ=0.15406 nm） 对刻蚀前后金刚石的物相进行分析，扫描角度为10°-90°。用扫描电子显微镜分析仪（ SEM，JEOL JSM- 6010）对刻蚀前后金刚石表面的微观形貌进行分析。

3结果与讨论

3.1样品的晶体结构分析

刻蚀前的金刚石和不同温度用镍粉刻蚀后的金刚石的 X射线衍射分析结果如图1所示。经 JADE软件分析可得：用镍粉在700 ℃、800 ℃和900 ℃下刻蚀后的金刚石微粉与原始金刚石微粉的峰形和峰位都没有变化，三者的衍射峰基本相同，说明在刻蚀过程中，金刚石没有和镍发生反应。

3.2样品的微观形貌分析

未刻蚀的金刚石微粉的原始形貌如图2所示。从图2中可以看出：人造金刚石微粉晶粒尺寸集中在44～56 μm，平均尺寸在50 μm左右，形状不规则。

在700 ℃、800 ℃和900 ℃氮气气氛下用镍粉刻蚀后的金刚石表面形貌图如图3所示。在700 ℃时，镍粉已对金刚石微粉有轻微的刻蚀，金刚石表面出现了少量刻蚀坑，刻蚀坑深度较浅；当温度升高到800 ℃时，刻蚀加剧，金刚石表面已经出现许多刻蚀坑，深度加深；随着温度升高，刻蚀坑开始扩张，当温度继续升高到900 ℃时，刻蚀坑数量明显增加，整个金刚石表面基本上全部刻蚀，并且刻蚀坑的深度和大小也进一步增加，小刻蚀坑连在一起形成了大的刻蚀坑，呈现出更为明显的刻蚀效果。镍粉对金刚石微粉的刻蚀机理是金刚石石墨化和在熔融镍中碳的扩散[6] 。

4 结论

镍粉在700 ℃、800 ℃和900 ℃氮气气氛下能对金刚石微粉进行成功刻蚀，且随着温度的升高，刻蚀程度逐渐加剧，刻蚀坑的数量增加和深度加深，当温度为900 ℃时，金刚石表面已完全刻蚀。本研究为金刚石微粉的进一步优化和应用提供了实验支持，同时为金刚石刻蚀的研究提供了有益的参考。

参考文献

[1]Konstanty J. Sintered diamond tools–the past， present and future[J]. Archives of Metallurgy and Materials， 2021，66（2）： 593-599.

[2]Rodgers L V H， Hughes L B， Xie M Z， et al. Materials challenges for quantum technologies based on color centers in diamond[J]. MRS Bulletin， 2021， 46（7）： 623-633.

[3]Wort C J H， Balmer R S. Diamond as an electronic material[J]. Materials today， 2008， 11（1-2）： 22-28.

[4]窦志强，肖长江，栗正新.金刚石表面刻蚀技术研究进展[J].表面技术，2018，47（04）：90-95.

[5]王俊沙，刘莹莹，李园园.金刚石表面刻蚀研究进展[J].中原工学院学报，2022，33（03）：1-10.

[6]Wang J， Wan L， Chen J， et al. Surface patterning of synthetic diamond crystallites using nickel powder[J]. Diamond and Related Materials， 2016， 66： 206-212.