近日，中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所化學(xué)激光研究中心研究員李剛、研究員金玉奇團(tuán)隊(duì)與生物能源化學(xué)品研究組合作，以自主合成的新型超細(xì)納米氧化鈰（CeO2）為拋光漿料，利用化學(xué)機(jī)械拋光（CMP）技術(shù)，加工出極低缺陷亞埃級(jí)（＜0.1nm）表面粗糙度的超光滑石英光學(xué)表面，并深入研究了加工過(guò)程中CeO2納米顆粒與石英表面的物理及化學(xué)變化過(guò)程，進(jìn)一步提升了對(duì)CMP拋光機(jī)理的理論認(rèn)知。
大連化物所實(shí)現(xiàn)極低缺陷亞埃級(jí)粗糙度石英超光滑表面的研制
石英玻璃因其優(yōu)異的物理化學(xué)性能，是高能激光、激光陀螺、空間激光通信、短波光學(xué)等領(lǐng)域的優(yōu)異基底材料，其加工后的表面質(zhì)量（表面粗糙度及表面缺陷數(shù)量等）是制約此類(lèi)高精密光學(xué)系統(tǒng)性能的“卡脖子”技術(shù)難題。極低缺陷亞埃級(jí)石英超光滑表面的高效加工具有挑戰(zhàn)。當(dāng)前，受限于對(duì)CMP拋光機(jī)理的認(rèn)識(shí)不夠深入、高端CeO2拋光漿料被美日等國(guó)寡頭企業(yè)所壟斷并對(duì)我國(guó)嚴(yán)格禁運(yùn)，致使我國(guó)的CMP拋光工藝與國(guó)外尚存在較大差距。
本工作中，研究人員制備出一類(lèi)尺寸小、粒度分布窄的超細(xì)納米CeO2拋光漿料，其平均一次粒徑小于4nm。通過(guò)CMP技術(shù)參數(shù)的調(diào)控和優(yōu)化，研究人員實(shí)現(xiàn)了表面粗糙度（RMS）小于0.1nm的極低缺陷石英光學(xué)表面的加工。對(duì)比研究發(fā)現(xiàn)：石英元件表面粗糙度主要受CeO2一次粒徑尺寸和粒度分布影響，一次粒徑尺寸越小，粒度分布越窄，越有利于超光滑表面的形成；從“CeO2團(tuán)聚強(qiáng)度”這一全新的角度，闡釋了CeO2團(tuán)聚強(qiáng)度是影響石英元件表面亞微米尺寸缺陷形成的關(guān)鍵因素。此外，通過(guò)對(duì)石英元件拋光去除速率以及表面接觸角的分析，研究人員提出了CeO2漿料中Ce3+促進(jìn)石英表面羥基形成進(jìn)而提升拋光去除速率的化學(xué)去除模型。
本工作對(duì)推動(dòng)我國(guó)高端CeO2拋光漿料制備技術(shù)發(fā)展和提升我國(guó)超精密光學(xué)元件制造水平具有重要意義。
相關(guān)研究成果以“Fused silica with sub-angstrom roughness and minimal surface defects polished by ultra-fine nano CeO2”為題，發(fā)表在Journal of the American Ceramic Society上。該工作的第一作者是大連化物所博士研究生吳澤華。上述工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金、大連市科技創(chuàng)新基金、大連化物所創(chuàng)新基金等項(xiàng)目的支持。
