中國科學技術(shù)大學合肥微尺度物質(zhì)科學國家研究中心吳文彬教授、王凌飛教授團隊與西北大學物理學院司良教授團隊合作，發(fā)現(xiàn)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完整性高質(zhì)量自支撐氧化物薄膜。1月26日該研究成果發(fā)表于《科學》。
基于水溶性犧牲層的自支撐氧化物薄膜的剝離和轉(zhuǎn)移過程示意圖。
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)力弛豫會導致高密度界面缺陷的形成，進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)域進一步發(fā)展的關(guān)鍵科學問題。
超四方相水溶性犧牲層Sr4Al2O7的晶體結(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大小和外延生長關(guān)系示意圖。
針對以上問題，研發(fā)團隊深入探索了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)性的實驗表征和第一性原理材料模擬計算展現(xiàn)了其諸多優(yōu)異性質(zhì)。
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。研究團隊驗證了晶格常數(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)域可以擴展到毫米級，比目前已報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。
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。研究團隊進一步發(fā)現(xiàn)Sr4Al2O7獨特的化學組分和晶體結(jié)構(gòu)導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。圖3A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，預示著結(jié)晶性和完整性的顯著提升。（圖片均由課題組提供）
