一種六方結(jié)構(gòu)水溶性犧牲層的發(fā)現(xiàn)和制備 | 進展

由于化學(xué)鍵合方式與界面能量的限制，功能氧化物薄膜的外延生長往往與襯底形成強離子或共價結(jié)合，難以實現(xiàn)無損剝離，這在很大程度上制約了自支撐薄膜在柔性電子學(xué)、應(yīng)變工程及異質(zhì)集成等方向的應(yīng)用。近年來發(fā)展起來的“犧牲層”策略，為高質(zhì)量自支撐薄膜的制備提供了一條重要路徑。然而，現(xiàn)有犧牲層材料體系幾乎全部集中于立方鈣鈦礦結(jié)構(gòu)，難以兼容六方或三重對稱晶體薄膜，從而在材料應(yīng)用范圍上形成了顯著瓶頸。

中國科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家研究中心表面物理國家重點實驗室SF3曹則賢課題組的魯年鵬研究員長期致力于功能氧化物的研究。近期，研究團隊將研究視角拓展至長期被忽視的六方對稱氧化物體系，成功發(fā)現(xiàn)并制備了一種水溶性、六方對稱且在環(huán)境中高度穩(wěn)定的BaAl?O?薄膜，首次將水溶性犧牲層從立方鈣鈦礦體系拓展至六方/三重對稱材料領(lǐng)域。

圖1. 六方結(jié)構(gòu)水溶性犧牲層BaAl?O?薄膜制備及結(jié)構(gòu)

研究表明，BaAl?O?在水中可快速溶解，并且在空氣以及高溫O?、NH?等苛刻環(huán)境中仍能保持良好的晶體穩(wěn)定性。在此基礎(chǔ)上，研究團隊進一步系統(tǒng)研究了六方/三重對稱體系中薄膜外延生長與應(yīng)變弛豫的普適機制。并發(fā)現(xiàn)“界面緩沖 + 疇匹配”的雙重機制可以有效釋放界面應(yīng)力。借助BaAl?O?水溶性犧牲層，研究人員成功制備了多種六方和三重對稱性自支撐氧化物薄膜及柔性器件。具體而言，YMnO?自支撐膜在柔性基底上展現(xiàn)出穩(wěn)定、可控的鐵電極化行為，顯示其在柔性鐵電存儲中的應(yīng)用潛力；In?O?自支撐膜被成功集成至Si基薄膜晶體管中，獲得高開關(guān)比的柵控特性；基于寬禁帶半導(dǎo)體β-Ga?O?自支撐膜構(gòu)筑的柔性日盲光電探測器，實現(xiàn)了高達10?的光/暗電流比和約3.8×103 mA/W的響應(yīng)度，并在多次彎折后保持性能穩(wěn)定。尤為重要的是，BaAl?O?對高溫與極端環(huán)境（如氨氣、氮氣）的耐受性，使得氮化物的外延與自支撐成為可能，顯著拓寬了可實現(xiàn)材料體系的范圍。

本研究成果近期以“Water-soluble hexagonal BaAl?O? as sacrificial layer for freestanding crystalline membranes and flexible devices”為題發(fā)表在Nature Materials 上，物理所為第一單位。中國科學(xué)院物理研究所和北京郵電大學(xué)聯(lián)合培養(yǎng)的博士生李夢成和陸超博士（已畢業(yè)）為共同第一作者，物理所魯年鵬研究員、張慶華副研究員和北京郵電大學(xué)李培剛教授為共同通訊作者。中國科學(xué)院物理研究所張廣宇研究員、趙繼民研究員、周發(fā)然副研究員、紀(jì)愛玲副研究員，清華大學(xué)物理系于浦教授，清華大學(xué)材料學(xué)院谷林教授，北京科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院蔣朋教授、中國科學(xué)院寧波材料所曹彥偉研究員，西北大學(xué)物理學(xué)院司良教授，松山湖材料實驗室李娜副研究員等為本工作提供了支持。該工作受到了科技部、基金委、中國科學(xué)院和北京市基金的經(jīng)費支持。

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