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西安交大《Nature》大子刊：在氧化物薄膜外延領域取得重要進展

2022-06-20 13:26:58 作者：材料學網來源：材料學網分享至：

信息社會的發展需要物聯網和大數據等新興技術，因此以鈦酸鋇（BTO）為代表的具有鐵電性、壓電性、非線性光學和撓曲電特性等多種功能的鈣鈦礦型氧化物材料受到了廣泛關注。“后摩爾”時代，人們需要將BTO等氧化物薄膜與硅襯底集成；此外，生物傳感、穿戴式電子器件等新型應用對于柔性襯底上高質量氧化物薄膜的需求日益迫切。但是，無論是在硅襯底上或是柔性襯底上實現外延單晶BTO薄膜都非常困難。硅表面在氧化物薄膜的生長初期極易被氧化，生成的非晶態二氧化硅層妨礙了外延薄膜的實現。柔性襯底的主流是有機聚合物材料，它們通常不耐高溫，其熔化溫度低于外延單晶BTO薄膜的生長溫度。

遠程外延以二維材料石墨烯作為輔助進行薄膜生長，它不但能夠提高異質外延薄膜的結晶質量，還能通過石墨烯輔助的機械剝離實現單晶形態的自支撐膜，進而將其轉移至硅和柔性聚合物等任意襯底。目前，遠程外延的研究主要集中于半導體化合物系統，并且多數是同質外延生長，氧化物薄膜遠程外延的研究還較少，對于薄膜生長、結構和性能的理解和掌握都很欠缺。

西安交通大學研究人員展示了在鍺（Ge）襯底上利用石墨烯作為中間層的BTO薄膜的高度異質外延生長。該研究一方面豐富了薄膜外延生長領域的基礎理論，另一方面展示了在晶圓級半導體襯底和柔性襯底上集成功能性氧化物薄膜可能性，這對于未來“超越摩爾”和柔性功能器件的實現有重要意義。

研究工作從理論和實驗兩方面展示了Ge襯底的表面取向對遠程外延的重要影響，并展示了在Ge（011）襯底上遠程外延生長的BTO薄膜的結構和功能特性，深入研究了石墨烯對Ge表面的鈍化作用。論文闡明了BTO薄膜在石墨烯上的生長動力學、熱力學和應變弛豫過程。BTO在遠程外延生長初期遵循三維島狀生長模式，并且已經部分弛豫。研究實現了遠程外延的單晶BTO薄膜向硅襯底和柔性聚合物襯底的轉移。由于自支撐的BTO膜沒有襯底的夾持，并且存在大量氧空位，所以具有增強的撓曲電特性，其撓曲電響應因子是傳統的鈦酸鍶襯底上生長的BTO薄膜的響應因子的4倍。

研究工作2022年5月30日以《鍺襯底上撓曲電鈦酸鋇膜的高度異質外延》（Highly Heterogeneous Epitaxy of Flexoelectric BaTiO3-δMembrane on Ge）為題發表在國際權威期刊《自然通訊》（Nature Communications）上。西安交通大學為論文第一完成單位。論文第一作者為西安交通大學電信學部電子學院博士生代立言。西安交通大學電信學部牛剛教授、任巍教授和李璟睿特聘研究員為論文通訊作者。西安交通大學機械學院蔣莊德院士和趙立波教授是論文共同作者。論文的合作單位還包括中國科學院上海微系統所、中國科學院蘇州納米所、德國萊布尼茨晶體生長研究所、美國加州大學洛杉磯分校、加拿大西蒙菲莎大學等。

論文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41467-022-30724-7

任巍教授和牛剛教授課題組近年來在“后摩爾”時代綠色環保的無鉛介電、壓（鐵）電功能薄膜與集成器件方面取得了系列成果，研究論文已經發表于 ACS Nano、IEEE Electron. Dev. Lett.、ACS Appl. Mater. Interfaces、Sensor Actuat. B 和 J. Mater. Chem. C 等期刊上。

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