日前，西北大學(xué)物理學(xué)院司良教授團(tuán)隊(duì)與中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國家研究中心吳文彬教授、王凌飛教授團(tuán)隊(duì)合作，發(fā)現(xiàn)了一種廣譜高效的新型超四方相水溶性犧牲層材料Sr4Al2O7，該高性能氧化物材料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日以研究長文（Research Article）的形式發(fā)表于《科學(xué)》（Science）上，司良教授、吳文彬教授、王凌飛教授為本文共同通訊作者。中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國家研究中心的章金鳳（博士研究生）、王傲（碩士研究生），中科院物理研究所林挺（碩士研究生），西北大學(xué)物理學(xué)院王曉超（碩士研究生）為本文共同第一作者。司良教授研究團(tuán)隊(duì)承擔(dān)了該項(xiàng)目中的第一性原理計(jì)算與材料模擬工作，為最終確定Sr4Al2O7材料的新型晶體結(jié)構(gòu)并理解其在外延應(yīng)變的結(jié)構(gòu)演化規(guī)律做出了關(guān)鍵性貢獻(xiàn)。
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，兼具強(qiáng)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。這類材料具有超彈性、撓曲電性和顯著的磁彈效應(yīng)等新奇的物理與材料特性，因此有助于誘導(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，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，在開發(fā)超薄柔性電子器件方面表現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力，是近年來凝聚態(tài)以及氧化物領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。
基于水溶性犧牲層的自支撐氧化物薄膜的剝離和轉(zhuǎn)移過程
多年來，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薄膜生長、剝離和轉(zhuǎn)移技術(shù)。然而，國際上普遍使用的Sr-Al-O基水溶性犧牲層與目標(biāo)氧化物薄膜之間由于不可避免的晶格失配現(xiàn)象和應(yīng)力弛豫會導(dǎo)致高密度界面缺陷的形成，進(jìn)而在水輔助剝離和轉(zhuǎn)移過程中在自支撐氧化物薄膜中產(chǎn)生高密度裂紋，顯著影響其結(jié)晶性和完整性。因此，如何抑制微裂紋等原子級別晶體缺陷的形成，獲得大面積、高結(jié)晶性、高性能的自支撐薄膜是推動這一研究領(lǐng)域進(jìn)一步發(fā)展的關(guān)鍵科學(xué)問題。
超四方相水溶性犧牲層Sr4Al2O7的晶體結(jié)構(gòu)（A-C為Sr4Al2O7薄膜的高分辨透射電子顯微圖像和對應(yīng)的晶體結(jié)構(gòu)；D為Sr4Al2O7單胞與鈣鈦礦氧化物單胞的相對大小和外延生長關(guān)系）
針對以上問題，研發(fā)團(tuán)隊(duì)成員深入探索了Sr-Al-O基水溶性薄膜的激光分子束外延生長窗口，通過精細(xì)的薄膜生長控制技術(shù)發(fā)現(xiàn)了一種新型水溶性犧牲層材料Sr4Al2O7，系統(tǒng)性的實(shí)驗(yàn)表征和第一性原理材料模擬計(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)對稱性，與多數(shù)ABO3鈣鈦礦材料可以形成高質(zhì)量共格外延生長，抑制了界面處缺陷的形成和水輔助剝離過程中的裂紋產(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上剝離的自支撐薄膜中無裂紋區(qū)域可以擴(kuò)展到毫米級，比目前已報(bào)道的同類自支撐薄膜樣品在尺寸上大1~3個數(shù)量級，且其結(jié)晶性和功能性可以與單晶襯底上生長的外延薄膜相當(dāng)。其次， Sr4Al2O7薄膜具有寬且穩(wěn)定的激光分子束外延生長窗口，與多數(shù)鈣鈦礦氧化物薄膜的生長兼容，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)特的化學(xué)組分和晶體結(jié)構(gòu)導(dǎo)致其具有極高的水溶性，可以將水輔助剝離時間縮短近一個數(shù)量級，顯著提升了自支撐氧化物薄膜的制備效率，有助于大規(guī)模高性能氧化物薄膜的制備。
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（A為基于國際上廣泛使用的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。B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快捷高效的普適性實(shí)驗(yàn)方案。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)展注入了新的動力，既有望推動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。審稿人對該成果給予高度評價，認(rèn)為“這對于正迅速成長的研究自支撐氧化物薄膜領(lǐng)域的科學(xué)家們而言，這無疑是一個有趣的工作” “章等人的工作具有從多個方面對氧化物電子學(xué)領(lǐng)域形成廣泛影響的潛力”。該研究得到了國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金委、中科院穩(wěn)定支持基礎(chǔ)研究領(lǐng)域青年團(tuán)隊(duì)計(jì)劃，陜西省高層次人才項(xiàng)目等項(xiàng)目的資助支持。
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