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(duì)于CVD金剛石的質(zhì)量和性能至關(guān)重要，因?yàn)镃VD金剛石在形核階段的均勻性會(huì)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(shí)所采用的量化指標(biāo)，該指標(biāo)一般是通過統(tǒng)計(jì)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(gè)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(huì)發(fā)生變化的。可以認(rèn)為，目前人們對(duì)金剛石形核的均勻性仍然缺乏有效的量化評(píng)價(jià)方法。

       近日，哈爾濱工業(yè)大學(xué)紅外薄膜與晶體團(tuán)隊(duì)提出了一種新算法，運(yùn)用 Kullback-Leibler (K-L)散度來定量評(píng)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(duì)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(duì)新算法進(jìn)行了評(píng)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(shí)驗(yàn)現(xiàn)象且與主流的理論框架相一致，在評(píng)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(duì)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(jià)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(diǎn)

       1. 建立了基于K-L散度的用以評(píng)價(jià)顆粒分布均勻性的量化方案；

       2. 證明了該量化方案在評(píng)價(jià)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(cè)設(shè)備，因此同時(shí)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(diǎn)圖再分割示意圖

圖3 各組樣品的量化統(tǒng)計(jì)結(jié)果

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

圖5 區(qū)塊大小對(duì)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(shí)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(shì)。不過，對(duì)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(duì)該算法進(jìn)行驗(yàn)證。

       此外，還可以考慮對(duì)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。