ALD制备非晶氧化铝中间层实现二氧化钒的远程外延与剥离

       在材料科学的前沿探索中，如何制备高质量且能满足多样应用需求的材料，一直是科研人员不懈追求的目标。复旦大学研究团队一项发表于Nature Communications的研究成果，为氧化物纳米膜的制备开辟了新路径，让我们一起来了解一下吧！

       传统的异质外延在氧化物制备方面存在局限，晶格失配会产生应变，材料间的化学键也给释放带来困难，限制了氧化物基器件的性能和集成。为了解决这些问题，科研人员把目光投向了二维材料辅助外延技术，像范德华外延和远程外延。其中，远程外延利用二维材料（主要是石墨烯）作为中间层，能实现晶体纳米膜从衬底上的剥离，拓展了器件应用范围。然而，石墨烯在严苛的生长环境中容易受损，使得远程外延在制备大规模独立外延氧化物时受到制约，适用材料也比较有限。

       在这项研究里，科研团队另辟蹊径，采用原子层沉积（ALD）生长的亚纳米厚非晶Al2O3作为中间层，实现了二氧化钒VO2纳米膜的远程外延生长和剥离。ALD 技术具有自限性的优势，能精准控制中间层厚度。这种非晶Al2O3中间层既不会屏蔽衬底的静电势，也不会与上层氧化物结晶，还能承受氧化、轰击等恶劣生长环境，并且可以用 HF 轻松去除，就像一个理想的 “桥梁” 和 “牺牲层”。

       研究人员通过密度泛函理论（DFT）模拟，研究了含非晶Al2O3中间层体系的原子构型和电荷分布，发现衬底电荷能部分转移到中间层表面，静电势也不会被完全屏蔽，这为远程外延生长提供了理论依据。实验中，他们先在蓝宝石衬底上用 ALD 沉积均匀超薄的非晶Al2O3中间层，再通过反应溅射外延生长VO2纳米膜，最后去除中间层，成功得到了4英寸晶圆级的独立VO2纳米膜。从扫描透射电子显微镜（STEM）等表征结果来看，VO2纳米膜晶粒致密均匀，结晶性良好。

       中间层的厚度和材料对VO2纳米膜外延质量影响很大。研究表明，随着 ALD 循环次数增加，中间层变厚，对衬底静电势的屏蔽作用增强，VO2纳米膜的峰强度会降低，但同时也能缓解外延应变。当中间层厚度为10个ALD循环时，虽然外延性能有所减弱，但应变明显降低。对比不同中间层材料，结晶的ZnO或HfO2会使VO2纳米膜变成多晶，而无定形Al2O3更适合作为中间层。

       研究人员还深入分析了VO2纳米膜的外延取向。通过XRD极图、φ扫描和STEM等测试手段，发现VO2纳米膜具有独特的外延关系，在平面内有三个等效方向，呈现出近单晶特性，即单一的面外取向和三个等效的面内取向。

       在转移VO2纳米膜后，科研人员对其结构和性能进行了全面表征。AFM、XRD、拉曼光谱等测试结果表明，经过湿法蚀刻和转移过程，VO2纳米膜的晶体结构和性能依然保持完好，电阻调制在金属-绝缘体转变（MIT）过程中可达4个数量级，MIT 温度也因应变释放更接近 68°C。

       基于外延VO2纳米膜，研究团队制备了多种形状的独立红外测辐射热计，包括剥离型、屈曲型和卷起型。与多晶VO2纳米膜制成的测辐射热计相比，外延VO2纳米膜测辐射热计的电流噪声更低，探测率更高。其中，卷起型外延VO2纳米膜测辐射热计性能最优，探测率可达2.96×108cmHz-1/2W-1，远超文献和商业设备。这些不同类型的VO2器件还能根据应用场景与微电子进一步集成，拓展了应用潜力。

       这项研究为制备独立外延氧化物纳米膜提供了切实可行的策略。通过 ALD 生长的亚纳米厚非晶中间层，不仅实现了复杂氧化物的远程外延生长，还为后续制备高性能器件奠定了基础。未来，随着新型非晶材料作为牺牲层的开发，这种方法有望进一步拓展，在实现新型异质结构、柔性光电器件以及研究界面物理和电子学等方面发挥更大的作用。