有机溶剂对通过液相剥离法制备石墨烯量子点的影响

《Optical Materials》：Influence of organic solvents on the production of graphene quantum dots via liquid-phase exfoliation

本研究系统探究了化学机械抛光（CMP）对高硬度光学材料Zerodur?和Spinel的影响，分析压力、相对速度、磨料类型（氧化铝与氧化铈）等参数对材料去除率和表面粗糙度的影响，揭示机械与化学作用的协同机制。实验表明，氧化铝在Zerodur?上更优，而氧化铈在Spinel上效率较低，优化后Zerodur?表面粗糙度低于1 nm，Spinel低于3 nm，为先进光学材料抛光工艺优化提供理论依据。

　　

Djouda Laadjel|Nabil Belkhir|Edda R?dlein

应用光学实验室，光学与精密机械研究所，费尔哈特·阿巴斯大学1，塞蒂夫，19000，阿尔及利亚

摘要

在本研究中，我们对两种技术上重要的材料——玻璃陶瓷Zerodur?和透明尖晶石陶瓷，在严格控制和相同的工艺条件下进行了全面的化学机械抛光（CMP）研究。这项研究的创新之处在于同时评估了两种在硬度、微观结构和化学活性上存在根本差异的材料，从而为CMP过程中磨料与工件之间的相互作用提供了新的见解。通过系统的参数分析，量化了压力、相对速度、浆料浓度、抛光时间和磨料类型（氧化铝与氧化铈）对材料去除速率和表面演变的影响。特别关注了这两种磨料在机械和化学作用上的差异，揭示了尽管氧化铈与硅酸盐体系有已知的化学反应性，但在Zerodur?上的抛光效果为何不如氧化铝。优化的CMP条件使得Zerodur?的表面粗糙度RMS值低于1纳米，尖晶石的表面粗糙度RMS值低于3纳米。这些结果建立了一个统一的机械框架，用于理解和优化先进硬质光学材料的CMP工艺。

引言

硬质光学材料是一类具有高机械硬度和宽波长范围内优异光学透明性的特殊物质。这类材料在需要耐久性和高光学性能的极端应用中至关重要，例如红外传感器窗口、激光系统、航空航天光学和防护装甲。常见的例子包括尖晶石（MgAl₂O₄）[1,2]、蓝宝石（Al₂O₃）[3,4]、熔融石英[5]、氧化铝氮化物（AlON）[6]以及低膨胀玻璃陶瓷Zerodur?[7,8]。它们的硬度通常归因于强原子键合和密集的微观结构。其中，透明陶瓷尖晶石和玻璃陶瓷Zerodur?因其独特的光学和机械性能平衡而脱颖而出。尖晶石在紫外到中红外范围内具有广泛的透射率，同时具有高硬度和抗冲击性，非常适合用于圆顶、装甲和高性能光学器件[9]；而Zerodur?则具有优异的热稳定性和光学均匀性，这对于精密应用（如高空间分辨率的投影光刻镜片制造和激光陀螺仪）至关重要[10]。这些材料共同展示了硬质光学材料在推动工业和科学技术进步方面的潜力。

在光学中，透明度是指材料能够无显著散射或吸收地传输光的能力。透明材料看起来是清澈的，并且根据光与材料的相互作用方式可以显示不同的颜色。光可以通过反射、吸收或传输与材料相互作用，这些过程受到光的波长和材料性质（如化学成分和表面粗糙度）的影响[9]。

高精度光学组件的制造面临挑战，因为光学表面需要极高的精度，因此需要极其高质量的加工[11]。近年来，已经进行了多项研究来评估精密加工和表面处理的各个方面[12]，包括超精密加工的进展[13]、超精密表面处理技术的进步[14]、以及先进材料抛光技术的进步[15]（如流体喷射抛光（FJP）[16]、磁流变抛光（MRF）、电解在线修整（ELID）[17]和金刚石车削[18]、反应原子处理（RAP）、弹性发射加工（EEM）[19]、化学机械抛光（CMP）[20,21,22]等，这些技术的目的是减少表面缺陷和亚表面损伤，以获得更耐用和高质量的成品组件[23]。

与玻璃等光学材料相比，透明陶瓷尖晶石和玻璃陶瓷Zerodur?具有更优越的机械和热性能。制造技术的进步增加了人们对这些材料的兴趣，因为它们在各种性能领域表现出更强的抵抗力[24,25]。

在这种背景下，透明陶瓷尖晶石MgAl₂O₄和玻璃陶瓷Zerodur?成为需要特殊性能的光学应用中的有前途的材料。

透明陶瓷有多种应用，如激光器外壳、红外（IR）窗口/圆顶和灯罩[9]。它们还用于装甲[26]以及紫外线（UV）和可见光（VIS）透镜[27]。由于其强度，尖晶石是非常适合制造高性能光学组件的材料，例如透镜。它在紫外-可见光和中红外（IR）范围内的优异透明度，加上高硬度和耐磨性，使其成为飞机、船舶和潜艇红外传感器以及导弹圆顶的理想候选材料。此外，尖晶石在军事车辆的窗户和挡风玻璃中也有巨大潜力，尤其是在需要抗弹性的应用中[28]。

玻璃陶瓷Zerodur?是一类新型材料，由Stookey在20世纪50年代发现。由于其在多种高精度应用中的使用，Zerodur?变得尤为重要。其主要用途包括：用于可见光和红外波段的望远镜镜片坯料；用于X射线望远镜的圆锥形镜片坯料；用于反射光学的镜片坯料以及激光陀螺仪的基座块。在这些应用中，均匀性、可重复性和可加工性至关重要，此外材料还具有低热膨胀的特性[29]。玻璃陶瓷Zerodur?已被证明是一类极具前景的光学材料，对科学、技术和工业应用具有重大潜力[30,31,32,33]。

由于透明陶瓷尖晶石MgAl₂O₄和玻璃陶瓷Zerodur?的高硬度和脆性，制造无损伤的光学表面是一个挑战。因此采用了研磨和抛光等精加工工艺。这些精细加工过程利用几何形状不明确的切削边缘来实现无损伤的光学表面[34]。坚硬且脆性的透明材料特别难以有效抛光[22]。在许多抛光研究中，化学反应在表面质量形成中的作用日益明显，尤其是涉及浆料化学反应的研究。这强调了化学和机械因素对表面质量的影响，从而采用了“化学机械抛光”这一术语[35,36]。

化学机械抛光（CMP）在过去几十年中已被广泛应用于各种材料，包括半导体、晶体、玻璃、特殊金属和塑料。CMP因其相对于其他表面处理技术的显著优势而越来越受欢迎，这些优势包括均匀的平面化、最小的表面和亚表面损伤、材料去除率高、效率高以及成本效益[20,37]。

本研究系统地研究了控制硬质光学材料表面处理的材料去除机制，特别关注透明陶瓷尖晶石和玻璃陶瓷Zerodur?。与以往仅单独研究个别抛光变量的报告不同，本工作建立了将机械参数（压力、相对速度）、浆料特性（磨料类型、浓度）和工艺时间与材料去除速率（MRR）和表面粗糙度（RMS）演变联系起来的综合分析。通过将这些参数与所研究两种材料的独特机械性能相关联，我们揭示了接触应力变化、磨料-工件相互作用以及浆料负荷如何影响材料去除模式从韧性模式向脆性模式的转变。特别强调了磨料硬度和化学性质的作用，为解释氧化铝和氧化铈在尖晶石和Zerodur?上的不同抛光效率提供了新的见解。这里的研究结果为优化先进硬质材料的化学机械抛光建立了机械框架，提供了对工艺参数如何控制材料去除效率和表面形态演变的严格理解。

材料

作为第一步处理，所有样品都使用了树脂粘结的金刚石磨盘进行研磨。研磨后，通过测量质量 and 表面粗糙度来表征样品。然后使用化学机械抛光（CMP）对样品进行抛光。研磨和抛光操作在表1所示的工作条件下进行。

本研究中使用的两种不同硬质材料是：玻璃陶瓷Zerodur?和透明陶瓷尖晶石（MgAl₂O₄

表面粗糙度

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  压力优化

粗糙度测量结果如图3所示。当压力从4 psi增加到6 psi时，两种材料（Zerodur?和尖晶石）的表面粗糙度都有明显改善。压力的增加增强了磨料与材料表面之间的接触力，从而更有效地去除材料，使表面更加光滑，这反映在更低的RMS值上。在6 psi时，两种材料的RMS值都

压力的影响

实验研究了在表1所示条件下，抛光压力、表面粗糙度（RMS）和材料去除速率（MRR）之间的关系。结果如图3和图8所示。研究发现，在6 psi压力下，两种材料（玻璃陶瓷Zerodur?和透明陶瓷尖晶石）的表面粗糙度都有显著降低，表明表面质量有所改善。超过6 psi后，粗糙度略有增加，因为压力过大

结论

对硬质透明材料（透明陶瓷尖晶石和玻璃陶瓷Zerodur?）进行了抛光实验，以评估其在表面粗糙度和材料去除方面的性能。研究重点关注了压力、速度、浆料浓度、抛光时间和浆料类型对表面粗糙度（RMS）和材料去除速率（MRR）的影响。主要结果如下：

压力会影响表面质量。在抛光过程中施加更高的压力

CRediT作者贡献声明

Djouda Laadjel：概念构思、形式分析、方法论、初稿撰写。Nabil Belkhir：监督、验证、可视化、审稿与编辑。Edda R?dlein：监督、验证、可视化、审稿与编辑。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

作者感谢Andreas Herrmann博士对手稿的校对以及他对提高英语质量的宝贵建议。