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       金刚石薄膜因其极高的硬度、耐磨性、化学稳定性和热导率，被广泛视为理想的表面保护材料。但如何在非碳化物基底上沉积高质量金刚石薄膜，一直是材料领域的技术瓶颈。尤其在氧化锆陶瓷上，由于其热膨胀系数与金刚石相差悬殊，直接沉积时薄膜容易在冷却过程中因热应力而剥落，限制了其应用。

       近期，中国科学院宁波材料技术与工程研究所与浙江工业大学团队，提出了一种新的解决思路：在氧化锆表面引入碳化过渡层，从而实现金刚石薄膜的可控、均匀生长。相关成果以“Carbonized transition layer mediated controllable and uniform growth of diamond film on zirconia substrate”为题发表在《Diamond & Related Materials》。

       技术路径

       研究团队采用了“两步法”：

       首先，在氧化锆表面沉积一层硅（Si）过渡层。硅的热膨胀系数与氧化锆接近，并且具有与金刚石相似的晶格结构，有利于缓解应力和促进成核。随后，通过碳化热处理，在硅层表面形成含有sp²/sp³结构的碳层，这一“碳化过渡层”显著提高了金刚石的成核密度与成核均匀性。

       在此基础上，研究人员采用化学气相沉积（CVD）方法沉积金刚石薄膜，薄膜得以均匀生长并牢固附着在基底上。

       对比实验显示，若直接在氧化锆表面沉积金刚石，薄膜大面积剥落；而经过过渡层调控后，所获得的金刚石薄膜表面平整、晶粒均一，厚度约3.4 μm，表面粗糙度仅为64 nm，附着力显著增强。进一步的显微结构分析揭示了薄膜的形成经历了均匀成核—岛状生长—晶粒并合—连续成膜的演化过程。

       该研究突破了氧化锆与金刚石热膨胀系数不匹配带来的限制，展示了通过界面工程在“非碳化物基底”上实现高质量金刚石薄膜生长的可行性。氧化锆与金刚石性能的互补，使这一复合体系在耐磨防护、高温环境和摩擦学器件等领域具有广阔应用前景。

       图文导读       

图1. 两步生长过程的示意图。

图2. (a) 氧化锆衬底的照片和 (b) 直接生长在氧化锆衬底上的金刚石薄膜的照片。

图3. 锆酸盐基底在硅层沉积和热循环处理后的形态和结构分析。 (a) 热循环过程的示意图，(b) 拉曼光谱，(c) 热循环处理前，(d) 热循环处理后。

图4. 碳化热处理后硅涂层二氧化锆基底的扫描电子显微镜（SEM）、拉曼光谱（Raman）及元素分布图像。（a）SEM形态，（b）拉曼光谱，（c）硅（Si）元素分布图，（d）碳（C）元素分布图。

图5. 样品的表面形态、碳分布图及截面图像：（a）碳化热处理前和（b）碳化热处理后及超声波播种处理后的样品。