现代工学院研究团队报道一种高效制备自支撑氧化物薄膜的新材料(Sr4Al2O7)

发布者:沈允育发布时间:2024-01-23浏览次数:509


近日,南京大学现代工程与应用科学学院聂越峰课题组与郝玉峰、邓昱及周健等课题组合作,利用先进的氧化物分子束外延MBE技术成功制备出一种可用于高效转移自支撑氧化物薄膜的新型水溶性牺牲层材料(Sr4Al2O7,其水溶速率约为常用牺牲层材料Sr3Al2O610倍。该新材料显著提高了自支撑薄膜的制备效率,为实现大尺寸自支撑氧化物薄膜的转移、异质集成及其在新型高性能信息电子器件中的应用提供了便利。

1.  Sr3Al2O6Sr4Al2O7的晶体结构示意图

近年来,自支撑钙钛矿氧化物薄膜所展现出的超常调控自由度和优异物性吸引了人们广泛的关注,已成为凝聚态物理与材料科学的前沿研究热点。通过在单晶衬底与目标薄膜之间插入一层牺牲层,利用特定的溶剂移除牺牲层后可获得自支撑薄膜。脱离刚性衬底的束缚,自支撑薄膜展现出远超块体材料和外延薄膜的超常应变(梯度)调控自由度,沿不同晶格方向施加一维及二维应变可实现晶格结构与对称性的超大范围调控,从而大幅拓展了关联量子物态研究的相空间。同时,通过自支撑薄膜的转移堆叠,可以与其他材料体系相结合构建新型非外延异质界面及转角异质结构,以探索新颖界面现象。此外,通过自支撑薄膜,还可解决钙钛矿氧化物难以在硅等半导体上直接外延集成的瓶颈问题,为将关联氧化物所具有的铁电、介电、多铁性、高温超导等优异物性与硅基半导体相结合以开发新一代变革性信息电子器件带来了新的机遇。

在已报道的不同类型的牺牲层中, Sr3Al2O6化合物因其可通过水溶解以转移自支撑薄膜,对环境友好且可制备出原子级平整的高质量自支薄膜,最受人们关注。然而,这类材料的水溶速率较低,即使制备毫米级小尺寸的自支撑薄膜也需要花费较长时间(可高达数小时),难以实现晶圆级大尺寸自支撑薄膜的制备与集成,无法满足实际器件应用的要求。本工作提出创新思路,考虑到Sr3Al2O6化合物中离散Al-O网络是其具有优异水溶性的一个重要原因,设计新结构进一步提升Al-O网络的离散度并提高易水溶的Sr-O成分在材料中的比例,并利用氧化物MBE技术系统探索了Sr4Al2O7薄膜的制备与物性。实验发现利用Sr4Al2O7牺牲层也可实现原子精度自支撑薄膜的制备,且其水溶速率得到了大幅提升,约为Sr3Al2O610。此外,研究还表明牺牲层的溶解速率还依赖于其厚度,提高膜厚可进一步提升溶解速率。类比于Sr3Al2O6体系,Sr4Al2O7也可以通过将Sr部分替换为原子半径更大的Ba或更小的Ca来调节其晶格常数以获得高的晶格适配度,进而制备出更高质量的自支撑钙钛矿氧化物薄膜。

这个新型牺牲层材料的发现实现了自支撑薄膜转移速率数量级的提升,为大尺寸自支撑薄膜的制备及其在新型信息电子器件应用方面打下了基础。另外,该牺牲层还可应用于制备自支撑镍基超导薄膜等对水较为敏感的材料体系,并结合其优异的调控自由度研究关联量子物态及其机理。



2. 自支撑薄膜转移示意图以及不同牺牲层材料及其厚度对水溶速率的影响

相关成果以Sr4Al2O7: A New Sacrificial Layer with High Water Dissolution Rate for the Synthesis of Freestanding Oxide Membranes”为题发表在Advanced Materials期刊上(DOI: 10.1002/adma.2023)。南京大学现代工程与应用科学学院年乐颜博士、孙浩滢博士后以及王志超博士为该论文的共同第一作者,聂越峰教授与郝玉峰教授为论文的共同通讯作者,南京大学邓昱副教授和周健副教授为本工作的电镜表征及理论计算提供了重要支持,吴迪教授对本课题开展给予了重要指导。该工作得到了科技部国家重点研发计划、国家自然科学基金、教育部“长江学者奖励计划”以及博士后创新人才支持计划等项目的资助。此外,南京大学固体微结构物理国家重点实验室、人工微结构科学与技术协同创新中心、江苏省功能材料设计原理与应用技术重点实验室、苏州实验室以及南京大学高性能计算中心对该研究也给予了重要支持。