极端制造 | 石墨烯-金刚石异质结构：面向极端制造的新设计范式

文章导读

石墨烯与金刚石作为两种典型的碳同素异形体，分别具有独特的电学、热学和机械性能。如何将二者优势结合，构建新型石墨烯-金刚石异构材料（Graphene-diamond hybrids, GDHs），成为近年来碳材料研究的热点。

近日，上海交通大学沈彬教授团队在《极端制造（英文）》（International Journal of Extreme Manufacturing, IJEM）上发表了题为“Fabrication, properties and applications of graphene-diamond hybrids”的综述文章，系统梳理了基于范德华作用（V-GDHs）和共价键合（C-GDHs）两类石墨烯-金刚石异质结构的制备方法、性能特征与应用前景，深入分析了不同界面结构对材料性能的调控机制，并对未来在合成机理、掺杂调控、极端功能器件与高性能工具等方向的发展挑战提出展望，为新型碳-碳复合材料的设计提供了理论依据与技术路径。

https://doi.org/10.1088/2631-7990/ae3348

图1 石墨烯-金刚石异质结构(GDHs)总览。

图文解析

石墨烯金刚石范德华异质结构（V-GDHs）的多元化制备路径

V-GDHs的制备主要基于催化转化、热诱导相变、物理集成与化学气相沉积四大技术路线。催化法利用Ni、Fe等金属催化剂在773 K以上促进金刚石表面石墨化，形成层数可控的石墨烯；热退火法则通过高温（>1073 K）诱导金刚石表面重构，实现无催化剂的石墨烯生长；物理集成技术如电泳沉积可在室温条件下实现微米级石墨烯涂层的制备，适用于热敏感基底；高温高压烧结技术则可合成块体状的具有部分范德华界面的石墨烯-金刚石复合材料；此外，化学气相沉积可通过调控反应气体比例与等离子体参数，实现金刚石在石墨烯表面复合等复杂结构的可控制备。这些方法各具特色，为不同应用需求提供了多种技术选择。

图2 石墨烯-金刚石范德华异质结构（V-GDHs）制备方法。

石墨烯-金刚石共价异质结构（C-GDHs）的界面键合与制备创新

C-GDHs的制备关键在于实现石墨烯与金刚石间的共价键合，目前主要技术包括：Ni催化纳米晶金刚石石墨化，在晶界处形成共价连接的石墨烯桥网络；液态Ga催化法，通过Ga在1273 K下破坏金刚石(111)面碳键并诱导晶格展开，实现垂直石墨烯的共价生长；激光-机械剥离联用技术，利用纳秒激光诱导表层石墨化，再经机械剥离获得共价键合的石墨烯层；以及高温高压法，在15-25 GPa高压和1323-1423 K条件下，将石墨或玻璃碳直接转化为具有共价界面的石墨烯-金刚石复合材料。这些方法在界面键合强度、结构可控性和规模化制备方面展现出各自优势。

图3 石墨烯-金刚石共价异质结构（C-GDHs）制备方法。

石墨烯-金刚石范德华异质结构（V-GDHs）在电子器件与工具中的应用

V-GDHs在电子器件领域展现出显著性能优势。基于石墨烯-金刚石异质结构的场效应晶体管，其击穿电流密度达到18μA·nm^-2，较传统SiO₂/Si基底器件提升18倍，这主要得益于金刚石基底的高热导率有效抑制了器件过热。在传感器方面，石墨烯/UNCD杂化结构对氢气的传感响应度达14.6%，显著高于单一材料(<3.6%)。此外，石墨烯与氮空位(NV)金刚石的结合，有效稳定了NV中心电荷态，提升了量子传感的稳定性与信噪比。这些应用体现了V-GDHs在高温、高功率电子器件中的潜力。

图4 石墨烯-金刚石范德华异质结构（V-GDHs）的典型应用。

石墨烯-金刚石共价异质结构（C-GDHs）在机械加工与功能应用中的性能表现

C-GDHs在机械加工与热管理领域展现出独特优势。采用液态Ga催化在金刚石涂层刀具表面制备的C-GDH涂层，在切削Al-Si合金时使后刀面磨损降低20%，切削力减少14%-40%，且保护效果在3600米切削长度内保持稳定。在磨料应用方面，C-GDH磨料对金刚石工件的原子去除率是传统金刚石磨料的5倍，同时能有效降低工件表面损伤。在热管理领域，C-GDHs共价界面有效降低了声子散射，使金刚石涂层氮化铝的热导率提升约20%，为高功率电子器件散热提供了新材料解决方案。

图5 石墨烯-金刚石共价异质结构（C-GDHs）的典型应用。

总结与展望

通过精准的界面设计，石墨烯-金刚石异质结构可实现导电性与机械强度、导热性与化学稳定性等性能的有机结合。未来该领域发展面临三大核心挑战：在制备方面，需揭示C-GDHs生长机理，开发温和条件下共价键合新方法；在性能研究方面，需系统解析界面结构对电学传输、热传导及载流子行为的影响机制；在应用拓展方面，需推动材料在高功率电子、高性能工具、高效热管理等极端环境下的实用化进程。通过多学科交叉创新，GDHs有望成为下一代极端制造的关键材料体系。

图6 石墨烯-金刚石异质结构的未来发展方向。

作者与团队简介

林强（第一作者），上海交通大学博士、上海交通大学博士后/助理研究员、香港大学博士后、HKU-MILES成员。主要研究方向为高性能石墨烯/金刚石结构制造、摩擦学/纳米力学、原子级制造。现担任中国机械工程学会金刚石及制品分会青年委员、Microstructures青年编委、国家自然科学基金通讯评议专家。作为项目负责人获国家自然科学基金青年科学基金（C类）、国家资助博士后研究人员计划（B档）资助。曾获第二十二届中国磨粒技术学术会议优秀论文奖与优秀报告奖（4/60）、上海交通大学优秀博士毕业生、国家奖学金等奖励与荣誉。研究成果在International Journal of Machine Tools and Manufacture、International Journal of Extreme Manufacturing、Journal of the American Chemical Society、Chemistry of Materials、Carbon、ACS Applied Materials & Interfaces等国际高水平期刊发表论文30余篇，授权发明专利1项。

沈彬（通讯作者），上海交通大学教授、博士生导师，现任机械系统与振动全国重点实验室副主任、制造技术与装备自动化研究所所长，主要从事先进制造工艺与装备技术研究。主持国家优青项目等6项国家自然科学基金项目以及国家重点研发计划课题等国家级省部级课题10余项。在International Journal of Machine Tools and Manufacture、International Journal of Extreme Manufacturing等期刊上以第一作者或通讯作者发表SCI论文100余篇，获授权发明专利30余项，获2017年国家科学技术进步奖二等奖、2014年中国机械工业科学技术奖（技术发明奖一等奖）等科研奖励。主要学术兼职包括中国机械工程学会金刚石及制品分会副主任委员、高端数控机床创新联盟专家工作组青年专家、腐蚀与防护技术专委会委员、中国机械工程学会成组与智能集成技术分会第五届委员会委员等。

陆洋，香港大学机械工程系讲席教授、工程学院副院长（内地事务）、香港青年科学院（YASHK）与香港工程院（HKAE）青年部(YMS)成员、 MILES Fellow。长期从事微纳米力学研究，致力于发展先进原位力学实验方法，揭示金刚石、硅等半导体及超构材料微观变形机制，开发具有高强度、高韧性等优异特性的力学超构材料与器件。以第一/通讯作者在半导体及微纳米力学相关领域发表SCI论文300余篇，包括Science、 Nature Nanotechnology、Nature Materials等顶级期刊，SCI他引10000余次。入选2023、2024年度科睿唯安世界前1%顶尖科学家榜单，并担任Science Advances和Materials Today副主编，《国家科学评论》、《中国科学:技术科学》、《极端制造》、Acta Mechanica Sinica等期刊的编委。曾获得香港大学教育资助委员会「杰出青年学者奖」并入选首届香港研究资助局「研资局研究学者计划」；入选首届国家自然科学基金优青（港澳）项目，并获批2025年度青年科学基金（A类）项目。

赵智胜，燕山大学亚稳材料全国重点实验室教授、博士生导师，从事超硬材料与结构陶瓷方面的研究工作。至今发表SCI论文190余篇，以第一或通讯作者在Nature、Nat Mater、Nat Synth、Natl Sci Rev、Nat Commun、Sci Adv、PNAS、PRL、JACS、Nano Lett等期刊上发表论文61篇；授权美日欧专利20项、中国发明专利20项。主持国家自然科学基金优秀青年科学基金、杰出青年科学基金、重点项目、面上项目、国家自然科学基金重大研究计划集成项目和国家重点研发计划课题等项目。获河北省自然科学一等奖（2020年）和二等奖（2018年）、陈嘉庚青年科学奖（技术科学）、中国青年科技奖。研究成果被Nature、Science、人民日报、新华社、国家自然科学基金委员会等亮点报道和介绍。

黄辉，华侨大学教授、博士生导师，华侨大学党委常委、副校长、制造工程研究院副院长，长期深耕于脆性材料精密加工及超硬材料工具技术领域。黄辉教授为国家科技创新领军人才、国务院政府特殊津贴专家、教育部新世纪优秀人才、教育部创新团队带头人（获滚动资助）。作为负责人主持国家自然科学基金联合基金重点项目、面上项目等国家级课题多项。以主要完成人身份荣获国家科学技术进步二等奖（2013），并多次获得福建省技术发明一等奖、教育部自然科学一等奖、科技进步一等奖等省部级重要奖项。在International Journal of Extreme Manufacturing、Journal of Materials Processing Technology等期刊发表系列高水平论文，授权国家发明专利及PCT专利30余项。现担任脆性材料产品智能制造技术国家地方联合工程研究中心副主任、脆性材料加工技术教育部工程研究中心副主任、厦门市光电材料加工重点实验室主任。