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金剛石是一種特殊的材料，由于其有趣的性質(zhì)，在各個(gè)領(lǐng)域都具有巨大的潛力。

然而，盡管在過去的幾十年里進(jìn)行了大量的努力，但生產(chǎn)大量廣泛使用的超薄金剛石膜，仍然具有挑戰(zhàn)性。

在此，來自北京大學(xué)東莞光電研究所的王琦&南方科技大學(xué)的李攜曦&香港大學(xué)的林原和褚智勤等研究者證明了使用膠帶的邊緣暴露剝離是一種簡單、可擴(kuò)展且可靠的方法，可用于生產(chǎn)超薄和可轉(zhuǎn)移的多晶金剛石膜。相關(guān)論文以題為“Scalable production of ultraflat and ultraflexible diamond membrane”于2024年12月18日發(fā)表在Nature上。

鉆石，因其卓越的載流子遷移率、熱導(dǎo)率、介電擊穿強(qiáng)度、超寬禁帶以及從紅外到深紫外范圍的光學(xué)透明性，被認(rèn)為是電子和光子領(lǐng)域應(yīng)用的理想材料。

為了取代昂貴的天然鉆石，人們通過高溫高壓法和化學(xué)氣相沉積（CVD）技術(shù)，已經(jīng)大規(guī)模制備出合成鉆石（包括單晶和多晶類型），并廣泛應(yīng)用于電學(xué)、光學(xué)、機(jī)械、熱學(xué)和聲學(xué)等領(lǐng)域。

然而，盡管鉆石具有巨大的應(yīng)用潛力，其大規(guī)模推廣仍受限于無法制備出兼容成熟硅基半導(dǎo)體技術(shù)的大面積層狀形式。

因此，研發(fā)高質(zhì)量、晶圓級(jí)的超薄鉆石膜，具備出色的可控性和異質(zhì)集成潛力，將為下一代電子與光子器件帶來廣闊的應(yīng)用前景。

目前，超薄鉆石的制備主要通過兩種途徑：一是切割塊體鉆石，二是在異質(zhì)基底上進(jìn)行CVD生長。

切割塊體鉆石能夠獲得高質(zhì)量的單晶鉆石膜，但受限于激光和聚焦離子束處理，該方法在膜的尺寸和表面粗糙度方面存在局限，難以實(shí)現(xiàn)工業(yè)化規(guī)模生產(chǎn)。

異質(zhì)生長方法則能制備出厚度可控的晶圓級(jí)膜，但由于鉆石與硅基生長基底之間的晶格失配，往往生成表面粗糙的多晶鉆石膜，限制了其在微納加工、異質(zhì)集成及熱管理中的應(yīng)用。

盡管機(jī)械和化學(xué)拋光可有效平整較厚和粗糙的膜，但從生長基底上分離膜仍需要復(fù)雜的工藝，例如等離子刻蝕和化學(xué)蝕刻硅基底。這些刻蝕策略不僅耗時(shí)長，而且膜的尺寸通常僅達(dá)到毫米級(jí)，難以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)。

因此，亟需一種簡單且可擴(kuò)展的方法來獲得并轉(zhuǎn)移超薄、超平整的鉆石膜，以促進(jìn)其廣泛應(yīng)用。

受單層材料（如石墨烯）成功開發(fā)的啟發(fā)，這里，研究者們展示了一種通過單步暴露邊緣剝離法來制備和轉(zhuǎn)移晶圓級(jí)超平整、超柔性鉆石膜的可行方案。

利用3M膠帶和自制的精密控制剝離速度和角度的裝置，研究者成功將直徑2英寸的鉆石膜從其硅基生長基底上分離。

掃描電子顯微鏡（SEM）和原子力顯微鏡（AFM）圖像顯示，剝離后膜的底面非常平整（表面粗糙度Ra < 1 nm），突破了精密微納加工的瓶頸。

研究者進(jìn)一步將膜轉(zhuǎn)移至柔性聚二甲基硅氧烷（PDMS）基底，并展示了一種柔性鉆石應(yīng)變傳感器的原型，可在2%應(yīng)變下承受超過10,000次變形循環(huán)。

圖1 去角質(zhì)晶圓級(jí)金剛石膜。

圖2 脫落金剛石膜的詳細(xì)表征。

圖3 機(jī)械剝離金剛石膜的超光滑性。

圖4 可穿戴電子應(yīng)用的柔性金剛石膜。

圖5 影響機(jī)械剝離金剛石膜質(zhì)量的因素。

綜上所述，研究者展示了邊緣暴露剝離法是一種簡單快捷的方式，可以商業(yè)化生產(chǎn)可轉(zhuǎn)移的晶圓級(jí)超薄且超平整的鉆石膜。

通過實(shí)驗(yàn)演示和計(jì)算分析確定的最優(yōu)操作窗口，為實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化工業(yè)生產(chǎn)提供了指導(dǎo)。此外，該方法具備可擴(kuò)展性，適用于任何膜的厚度和尺寸。與標(biāo)準(zhǔn)單晶塊體鉆石相比，

研究者的鉆石膜在光學(xué)性質(zhì)（在450 nm波長下折射率約為2.36）、熱導(dǎo)率（約1300 W m^?¹ K^?¹）和電阻率（約1010Ω）方面表現(xiàn)相當(dāng)。與其他方法不同，使用研究者的方法制備的膜足夠平整（表面粗糙度<1 nm），適用于精確的微納加工。

對(duì)于厘米級(jí)樣品，膜的最大變形（約4%應(yīng)變）實(shí)現(xiàn)了宏觀尺度上的彈性應(yīng)變工程，為下一代基于鉆石的電子學(xué)（例如場效應(yīng)晶體管、p–n結(jié)二極管）、光子學(xué)（例如拉曼激光器、紫外探測器、平面光子器件，包括超透鏡和超表面、光子結(jié)構(gòu)包括環(huán)形諧振器和腔體諧振器、波導(dǎo)、納米柱）、力學(xué)（例如機(jī)械懸臂梁、微機(jī)電系統(tǒng)設(shè)備）、熱學(xué)（例如片上熱擴(kuò)散器）、聲學(xué)（例如表面聲波濾波器、平面聲學(xué)超材料）以及量子技術(shù)（例如可擴(kuò)展且可定制的設(shè)備）打開了新的應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)

Jing, J., Sun, F., Wang, Z. et al. Scalable production of ultraflat and ultraflexible diamond membrane. Nature 636, 627–634 (2024).

原創(chuàng)文章，作者：zhan1，如若轉(zhuǎn)載，請注明來源華算科技，注明出處：http://www.xiubac.cn/index.php/2024/12/19/69b1ce6195/

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