中國科學技術大學合肥微尺度物質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，發現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量自支撐氧化物薄膜。1月26日該研究成果發表于《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、剝離和轉移技術。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象和應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移過程中在自支撐氧化物薄膜中產生高密度裂紋，顯著影響其結晶性和完整性。
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、高結晶性、高性能的自支撐薄膜是推動這一研究領域進一步發展的關鍵科學問題。
超四方相水溶性犧牲層Sr4Al2O7的晶體結構。圖2A-C為Sr4Al2O7薄膜的高分辨透射電子顯微圖像和對應的晶體結構示意圖。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系示意圖。
針對以上問題，研發團隊深入探索了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發現了一種新型水溶性犧牲層材料Sr4Al2O7，系統性的實驗表征和第一性原理材料模擬計算展現了其諸多優異性質。
雙軸應變下的Sr4Al2O7薄膜具有四方結構對稱性，與多數ABO3鈣鈦礦材料可以形成高質量共格外延生長，抑制了界面處缺陷的形成和水輔助剝離過程中的裂紋產生，顯著提升了自支撐氧化物薄膜的結晶性和完整性。研究團隊驗證了晶格常數在3.85~4.04 ?區間的一系列鈣鈦礦氧化物薄膜的剝離效果，發現從Sr4Al2O7上剝離的自支撐薄膜中無裂紋區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個數量級，且其結晶性和功能性可以與單晶襯底上生長的外延薄膜相當。
Sr4Al2O7薄膜具有寬且穩定的激光分子束外延生長窗口，與多數鈣鈦礦氧化物薄膜的生長兼容，制備工藝具有普適性。研究團隊進一步發現Sr4Al2O7獨特的化學組分和晶體結構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出“皺而不裂”的表面形貌，預示著結晶性和完整性的顯著提升。（圖片均由課題組提供）
