中國(guó)科大在氧化物電子學(xué)領(lǐng)域取得重要進(jìn)展
日前，中國(guó)科大吳文彬教授、王凌飛教授團(tuán)隊(duì)與西北大學(xué)司良教授團(tuán)隊(duì)合作，成功制備了一種廣譜高效的新型超四方相水溶性犧牲層材料Sr4Al2O7，可用于制備多種高質(zhì)量自支撐氧化物薄膜。成果以 “Super-tetragonal Sr4Al2O7 as a sacrificial layer for high-integrity freestanding oxide membranes”為題，于1月26日以研究長(zhǎng)文（Research Article）形式發(fā)表于《Science》。
自支撐氧化物薄膜是指一種去除襯底后依舊保持單晶特性的低維量子材料，兼具關(guān)聯(lián)電子體系的多自由度耦合特性和二維材料的結(jié)構(gòu)柔性。這類(lèi)材料具有超彈性、撓曲電性和顯著的磁彈效應(yīng)等，有望誘導(dǎo)出傳統(tǒng)外延氧化物薄膜中不具備的新奇量子衍生現(xiàn)象和功能特性。同時(shí)，由于擺脫了單晶襯底的剛性束縛，自支撐氧化物薄膜易于實(shí)現(xiàn)與硅基半導(dǎo)體、二維范德瓦爾斯材料以及柔性高分子材料的集成，在開(kāi)發(fā)超薄柔性電子器件方面表現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。
多年來(lái)，自支撐氧化物薄膜的主流制備方法是基于水溶性犧牲層的外延生長(zhǎng)、剝離和轉(zhuǎn)移技術(shù)（圖1）。然而，目前國(guó)際上普遍使用的Sr-Al-O基水溶性犧牲層與目標(biāo)氧化物薄膜之間不可避免的晶格失配和應(yīng)力弛豫會(huì)導(dǎo)致高密度界面缺陷的形成，進(jìn)而在水輔助剝離和轉(zhuǎn)移過(guò)程中誘發(fā)高密度裂紋的產(chǎn)生，顯著影響自支撐氧化物薄膜的結(jié)晶性和完整性，并導(dǎo)致相應(yīng)功能特性的退化。因此，如何抑制微裂紋的形成，獲得大面積、高結(jié)晶性的自支撐氧化物薄膜是推動(dòng)這一研究領(lǐng)域進(jìn)一步發(fā)展的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題。
圖1：基于水溶性犧牲層的自支撐氧化物薄膜的剝離和轉(zhuǎn)移過(guò)程示意圖。
針對(duì)上述問(wèn)題，研究團(tuán)隊(duì)深入探索Sr-Al-O基水溶性犧牲層薄膜的激光分子束外延生長(zhǎng)窗口，通過(guò)精細(xì)的薄膜生長(zhǎng)控制發(fā)現(xiàn)了一種新型水溶性犧牲層材料Sr4Al2O7。系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)表征和第一性原理計(jì)算展現(xiàn)了其諸多優(yōu)異性質(zhì)：首先，雙軸應(yīng)變下的Sr4Al2O7薄膜具有四方結(jié)構(gòu)對(duì)稱(chēng)性（圖2），與多數(shù)ABO3鈣鈦礦材料可以形成高質(zhì)量共格外延生長(zhǎng)，抑制了界面處缺陷的形成和水輔助剝離過(guò)程中的裂紋產(chǎn)生，顯著提升了自支撐氧化物薄膜的結(jié)晶性和完整性。研究團(tuán)隊(duì)驗(yàn)證了晶格常數(shù)在3.85~4.04 區(qū)間的一系列鈣鈦礦氧化物薄膜的剝離效果，發(fā)現(xiàn)從Sr4Al2O7犧牲層上剝離的自支撐薄膜中無(wú)裂紋區(qū)域可以擴(kuò)展到毫米級(jí)（圖3），比目前已報(bào)道的同類(lèi)自支撐薄膜樣品大1~3個(gè)數(shù)量級(jí)，且其結(jié)晶性和功能性可以與單晶襯底上生長(zhǎng)的高質(zhì)量外延薄膜相當(dāng)。其次，Sr4Al2O7薄膜的激光分子束外延生長(zhǎng)窗口與多數(shù)鈣鈦礦氧化物薄膜兼容，制備工藝具有普適性。研究團(tuán)隊(duì)還進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)Sr4Al2O7獨(dú)特的原子結(jié)構(gòu)導(dǎo)致其具有很高的水溶性，顯著縮短了水輔助剝離過(guò)程的時(shí)間，提升了自支撐氧化物薄膜的制備效率。
圖2：超四方相水溶性犧牲層Sr4Al2O7的原子結(jié)構(gòu)。圖2A-C為Sr4Al2O7薄膜的高分辨透射電子顯微圖像和對(duì)應(yīng)的晶體結(jié)構(gòu)示意圖。圖2D為Sr4Al2O7單胞與鈣鈦礦氧化物單胞的相對(duì)大小和外延生長(zhǎng)關(guān)系示意圖。
圖3：使用不同種水溶性犧牲層剝離自支撐氧化物薄膜的完整性比較。圖3A為基于國(guó)際上廣泛使用的Sr3Al2O6犧牲層剝離的多種鈣鈦礦氧化物自支撐薄膜的光學(xué)顯微圖像。所有薄膜上都存在高密度裂紋。圖3B為利用新型Sr4Al2O7犧牲層剝離的多種鈣鈦礦氧化物自支撐薄膜的光學(xué)顯微圖像。所有自支撐薄膜均表現(xiàn)出“皺而不裂”的表面形貌，預(yù)示著結(jié)晶性和完整性的顯著提升。
新型水溶性犧牲層Sr4Al2O7的發(fā)現(xiàn)為制備高結(jié)晶性、大面積自支撐氧化物薄膜提供了一種高效且普適的實(shí)驗(yàn)手段。這一發(fā)現(xiàn)突破了自支撐氧化物薄膜在完整性和結(jié)晶性方面的瓶頸，為該領(lǐng)域的發(fā)展注入了新的動(dòng)力，既有望推動(dòng)自支撐氧化物薄膜新奇量子物態(tài)的進(jìn)一步發(fā)掘，也可以提升這一體系在低維柔性電子學(xué)器件方面的應(yīng)用潛力。審稿人對(duì)該工作給予高度評(píng)價(jià)，認(rèn)為“對(duì)于（自支撐氧化物薄膜）這一正迅速發(fā)展的研究領(lǐng)域內(nèi)的科學(xué)家們而言，這無(wú)疑是一個(gè)有趣的工作”“章等人的工作具有從多個(gè)方面對(duì)氧化物電子學(xué)領(lǐng)域形成廣泛影響的潛力”。
中國(guó)科大合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國(guó)家研究中心章金鳳（博士研究生）、王傲（碩士研究生），中國(guó)科學(xué)院物理研究所林挺（博士研究生），西北大學(xué)王曉超（碩士研究生）為本文的共同第一作者；中國(guó)科大王凌飛教授、吳文彬教授與西北大學(xué)司良教授為本文的共同通訊作者。中國(guó)科學(xué)院物理研究所張慶華研究員和清華大學(xué)谷林教授團(tuán)隊(duì)為本工作提供了關(guān)鍵的掃描透射電鏡表征，國(guó)家同步輻射實(shí)驗(yàn)室羅震林項(xiàng)目研究員團(tuán)隊(duì)在同步輻射結(jié)構(gòu)表征方面為本工作提供了重要支持。該研究得到了科技部國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金委、中國(guó)科學(xué)院穩(wěn)定支持基礎(chǔ)研究領(lǐng)域青年團(tuán)隊(duì)計(jì)劃、中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)“雙一流”專(zhuān)項(xiàng)基金等項(xiàng)目的資助。
論文鏈接：http://www.science.org/doi/10.1126/science.adi6620
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