顆粒的分布情況是眾多研究領(lǐng)域需要討論的話題，CVD金剛石領(lǐng)域也不例外。金剛石形核的均勻性對于CVD金剛石的質(zhì)量和性能至關(guān)重要，因為CVD金剛石在形核階段的均勻性會直接影響到金剛石薄膜的晶粒尺寸、晶體取向、應(yīng)力以及內(nèi)部缺陷的分布。

       目前，形核密度是大多數(shù)研究者在描述金剛石形核的均勻性時所采用的量化指標(biāo)，該指標(biāo)一般是通過統(tǒng)計單位面積襯底上的金剛石核的數(shù)量來確定。但是，形核密度只是給出了一個整體的結(jié)果，設(shè)想一下如果襯底上的金剛石顆粒僅僅發(fā)生分布上的改變而總體數(shù)量不變，基于形核密度的量化策略所給出的結(jié)果是不會發(fā)生變化的?？梢哉J(rèn)為，目前人們對金剛石形核的均勻性仍然缺乏有效的量化評價方法。

       近日，哈爾濱工業(yè)大學(xué)紅外薄膜與晶體團(tuán)隊提出了一種新算法，運(yùn)用 Kullback-Leibler (K-L)散度來定量評估CVD金剛石成核的均勻性，有效克服了傳統(tǒng)指標(biāo)（如形核密度過于關(guān)注整體而方差易受異常值影響）的局限性。通過對比五組具有不同金剛石核分布的硅襯底以及改變分區(qū)大小的方式對新算法進(jìn)行了評估。

       結(jié)果表明該算法的量化結(jié)果完美符合當(dāng)前和以往的實驗現(xiàn)象且與主流的理論框架相一致，在評估金剛石形核均勻性方面展現(xiàn)出更優(yōu)的信效度和魯棒性。盡管該算法在文中主要應(yīng)用于CVD金剛石形核的研究，但其對其它應(yīng)用具有很好的適應(yīng)性和可遷移性，為納米材料、生物醫(yī)學(xué)以及食品工程等眾多需要精準(zhǔn)粒子分布分析的科學(xué)領(lǐng)域提供了重要的參考價值。

       該成果以Quantitative Analysis of the Uniformity of CVD Diamond Nucleation via Kullback-Leibler Divergence為題發(fā)表在金剛石領(lǐng)域知名期刊《Diamond & Related Materials》上（第一作者為博士研究生鄭康），并被選為第156卷封面。

       文章亮點

       1. 建立了基于K-L散度的用以評價顆粒分布均勻性的量化方案；

       2. 證明了該量化方案在評價CVD金剛石在襯底上形核的均勻性上具備極佳的信效度和魯棒性，且該方案的元數(shù)據(jù)來自圖片，不依賴特定的檢測設(shè)備，因此同時具有較好的可移植性。

       圖文導(dǎo)讀

圖1 圖像處理流程

圖2 點圖再分割示意圖

圖3 各組樣品的量化統(tǒng)計結(jié)果

圖4 硅襯底表面在各處理步驟時的狀態(tài)（AFM圖像捕獲于CVD沉積之前）

圖5 區(qū)塊大小對各量化指標(biāo)的影響

       總結(jié)與展望

       基于K-L散度的顆粒分布均勻性的量化算法在量化描述CVD金剛石形核均勻性方面表現(xiàn)突出，在克服形核密度靈敏度低的同時也沒有像方差一樣容易受極端值的影響。并且該算法的元數(shù)據(jù)可以來自圖片，具有數(shù)據(jù)獲取難度低、算法可移植性強(qiáng)等優(yōu)勢。不過，對于其它研究領(lǐng)域的應(yīng)用在文中只做了簡要的可行性分析，可以結(jié)合其它研究繼續(xù)對該算法進(jìn)行驗證。

       此外，還可以考慮對各組形核后的樣品進(jìn)行生長，從生長的晶體質(zhì)量及性能等角度進(jìn)一步強(qiáng)調(diào)該算法在CVD金剛石形核工藝優(yōu)化及晶體質(zhì)量的提前判斷等方面的意義。