中國粉體網訊 20年前，英國曼徹斯特大學的安德烈·海姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫通過一種簡單的方法，將石墨片從高定向熱解石墨上剝離，然后將片的兩面粘在一種特殊的膠帶上，撕開膠帶后，石墨片就可以一分為二，如此反復操作，最終得到一個只有一層碳原子的薄片，即石墨烯。
而在最近，香港大學電機與電子工程系褚智勤教授、香港大學機械工程系林原教授、南方科技大學李攜曦（Kwai Hei Li）助理教授、北京大學東莞光電研究院王琦教授等使用膠帶進行邊緣剝離，進而得到超薄多晶金剛石薄膜。
這種方法能夠大量制備大面積（2英寸晶圓）、超薄（亞微米厚度）、超平整（表面粗糙度低于納米）、超柔性（可360°彎曲）的金剛石薄膜。制備的高品質薄膜具有平坦的可加工表面，能夠允許進行微納加工操作，超柔性特點使得能夠直接用于彈性應變工程，以及變形傳感應用，這是更厚的金剛石薄膜無法實現的。通過系統(tǒng)的實驗和理論研究，表明剝離薄膜的品質取決于剝離的角度和膜厚度，而且能夠在優(yōu)化的操作窗口穩(wěn)健的制備大面積且基本保持完整的金剛石薄膜。這種一步得到金剛石薄膜的方法為大規(guī)模制備高品質金剛石薄膜提供路徑，有可能加快金剛石材料在電子學、光子學等相關領域的商業(yè)化應用。
一步剝離金剛石薄膜圖
制備過程
通過微波等離子體化學氣相沉積（MPCVD）法在Si基底生長薄層金剛石薄膜。通過控制生長時間，能夠獲得厚度不同的金剛石薄膜。首先用劃線筆在硅片的背面刻畫邊緣，因此將金剛石-基底的界面暴露。這個暴露的邊緣對于剝離完整的大面積金剛石薄膜非常重要。將透明的膠帶貼在薄膜的頂部，并且沿著切割邊緣拉伸，能夠剝離得到厚度1μm的完整2英寸金剛石薄膜。
通過光學成像測試，表明剝離得到的2英寸金剛石薄膜具有優(yōu)異的光學透光性和結構完整性。而且，對不同厚度（200-800nm）的金剛石薄膜都能進行剝離。與現有30年的工作相比，這項研究首次大規(guī)模制備晶圓尺寸的金剛石薄膜。
此外，市售的在Si或者Mo基底上生長的金剛石薄膜同樣能夠使用這種方法剝離。將膠帶在食人魚溶液（濃硫酸和30%過氧化氫的混合物（7:3））溶解后，單獨的金剛石薄膜能夠集成到各種載體上，包括GaN、MoS2、柔性PDMS，展示了這種方法具有廣泛的應用前景。
金剛石薄膜的特性及應用領域
這種邊緣暴露剝離方法簡單快速的制備可轉移的晶圓尺寸的金剛石薄膜，能夠得到超平整和超薄的金剛石薄膜。通過實驗得到最好的剝離操作窗口，通過理論計算分析為工業(yè)產品的制備提供指導。此外，這個方法能夠規(guī)�；軌蚣嫒莶煌穸群统叽�。與單晶塊體金剛石不同，這種金剛石薄膜具有類似的光學性質（450nm光的折射率為2.36），導熱率（1300W m-1 K-1），電阻率（1010Ω）。與其他方法不同，這種方法得到的金剛石薄膜具有優(yōu)異的平整度（粗糙度<1nm），因此能夠用于精細的微制備和納米制備工藝。金剛石薄膜能夠容忍形變（4%的應力），厘米大小的金剛石薄膜具有宏觀的彈性應變，在下一代金剛石電子產品（場效應晶體管、p–n結二極管）、光子學器件（拉曼激光器、紫外探測器、金屬透鏡和超表面的平面光子器件、環(huán)形和腔諧振器的光子結構、波導、納米柱）、力學器件（例如機械懸臂、微機電系統(tǒng)設備）、熱學器件（片上散熱器）、聲學器件（表面聲波濾波器、平面聲學超材料）和量子技術器件（可擴展和可定制的設備）具有前景。
參考來源：
納米人公眾號
Jing, J., Sun, F., Wang, Z. et al. Scalable production of ultraflat and ultraflexible diamond membrane. Nature 636, 627–634 (2024).
（中國粉體網編輯整理/留白）
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