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西安交大《Nature》大子刊：在氧化物薄膜外延領(lǐng)域取得重要進(jìn)展

2022-06-20 13:26:58 作者：材料學(xué)網(wǎng) 來源：材料學(xué)網(wǎng) 分享至：

信息社會(huì)的發(fā)展需要物聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)等新興技術(shù)，因此以鈦酸鋇（BTO）為代表的具有鐵電性、壓電性、非線性光學(xué)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(guān)注。“后摩爾”時(shí)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(yīng)用對于柔性襯底上高質(zhì)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(shí)現(xiàn)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(tài)二氧化硅層妨礙了外延薄膜的實(shí)現(xiàn)。柔性襯底的主流是有機(jī)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(yuǎn)程外延以二維材料石墨烯作為輔助進(jìn)行薄膜生長，它不但能夠提高異質(zhì)外延薄膜的結(jié)晶質(zhì)量，還能通過石墨烯輔助的機(jī)械剝離實(shí)現(xiàn)單晶形態(tài)的自支撐膜，進(jìn)而將其轉(zhuǎn)移至硅和柔性聚合物等任意襯底。目前，遠(yuǎn)程外延的研究主要集中于半導(dǎo)體化合物系統(tǒng)，并且多數(shù)是同質(zhì)外延生長，氧化物薄膜遠(yuǎn)程外延的研究還較少，對于薄膜生長、結(jié)構(gòu)和性能的理解和掌握都很欠缺。

西安交通大學(xué)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(zhì)外延生長。該研究一方面豐富了薄膜外延生長領(lǐng)域的基礎(chǔ)理論，另一方面展示了在晶圓級半導(dǎo)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(shí)現(xiàn)有重要意義。

研究工作從理論和實(shí)驗(yàn)兩方面展示了Ge襯底的表面取向?qū)h(yuǎn)程外延的重要影響，并展示了在Ge（011）襯底上遠(yuǎn)程外延生長的BTO薄膜的結(jié)構(gòu)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(dòng)力學(xué)、熱力學(xué)和應(yīng)變弛豫過程。BTO在遠(yuǎn)程外延生長初期遵循三維島狀生長模式，并且已經(jīng)部分弛豫。研究實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程外延的單晶BTO薄膜向硅襯底和柔性聚合物襯底的轉(zhuǎn)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(qiáng)的撓曲電特性，其撓曲電響應(yīng)因子是傳統(tǒng)的鈦酸鍶襯底上生長的BTO薄膜的響應(yīng)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(zhì)外延》（Highly Heterogeneous Epitaxy of Flexoelectric BaTiO3-δMembrane on Ge）為題發(fā)表在國際權(quán)威期刊《自然通訊》（Nature Communications）上。西安交通大學(xué)為論文第一完成單位。論文第一作者為西安交通大學(xué)電信學(xué)部電子學(xué)院博士生代立言。西安交通大學(xué)電信學(xué)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(xué)機(jī)械學(xué)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(xué)院上海微系統(tǒng)所、中國科學(xué)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(xué)洛杉磯分校、加拿大西蒙菲莎大學(xué)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(shí)代綠色環(huán)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(jīng)發(fā)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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