简小刚， 黄 新， 何嘉诚， 王俊鹏

(同济大学 机械与能源工程学院， 上海 201804))

CVD金刚石涂层在力学性能上与天然金刚石非常接近，具有较高导热系数、极高的硬度和较低的热膨胀系数，是加工超硬材料及制作深井石油钻探钻头最为理想的涂层材料之一[1-3]。金刚石涂层生长过程中基底的温度一般在800 ℃以上，一定程度上限制了基底材料的选择[4]。同时，金刚石涂层与基底间因热膨胀系数差异而引起的热应力会降低金刚石涂层与基底的附着力[5]。而降低制备金刚石涂层时的沉积温度虽然能够降低残余热应力的影响，但往往导致制备的金刚石涂层的质量不佳，金刚石涂层中的石墨相成分过多。

目前，研究人员多采用引入含氧气源的方式来降低高质量金刚石涂层的制备沉积温度，PETHERBRIDG等[6]在CO2/CH4气源中将CVD沉积温度降到了435 ℃；DAS等[7]也在455 ℃的富氩气环境中，往CH4/H2/Ar气源中通入0.75%的O2，从而制备了较高质量的金刚石涂层。大多数研究者认为氢、氧原子在低温下都能起到刻蚀金刚石涂层中石墨相的作用，同时氧原子刻蚀石墨的效果强于氢原子刻蚀的效果[8]。但对于氢、氧原子刻蚀金刚石涂层中石墨相的反应机理和作用机制仍然缺乏理论分析，没有对氧原子具有比氢原子更强的刻蚀石墨相能力的现象做出深入的探讨。

利用第一性原理分子模拟计算方法可以研究氢原子和氧原子刻蚀石墨相的反应机理与作用机制。相比一般的试验方法，采用第一性原理在密度泛函的理论基础上进行理论研究能够在微观尺度上探索原子间的作用关系，为氢、氧原子对CVD金刚石涂层中石墨相的刻蚀现象给出理论解释。……