由于化學(xué)鍵合方式與界面能量的限制，功能氧化物薄膜的外延生長往往與襯底形成強(qiáng)離子或共價(jià)結(jié)合，難以實(shí)現(xiàn)無損剝離，這在很大程度上制約了自支撐薄膜在柔性電子學(xué)、應(yīng)變工程及異質(zhì)集成等方向的應(yīng)用。近年來發(fā)展起來的“犧牲層”策略，為高質(zhì)量自支撐薄膜的制備提供了一條重要路徑。然而，現(xiàn)有犧牲層材料體系幾乎全部集中于立方鈣鈦礦結(jié)構(gòu)，難以兼容六方或三重對(duì)稱晶體薄膜，從而在材料應(yīng)用范圍上形成了顯著瓶頸。

中國科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家研究中心表面物理國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室SF3曹則賢課題組的魯年鵬研究員長期致力于功能氧化物的研究。近期，研究團(tuán)隊(duì)將研究視角拓展至長期被忽視的六方對(duì)稱氧化物體系，成功發(fā)現(xiàn)并制備了一種水溶性、六方對(duì)稱且在環(huán)境中高度穩(wěn)定的BaAl?O?薄膜，首次將水溶性犧牲層從立方鈣鈦礦體系拓展至六方/三重對(duì)稱材料領(lǐng)域。

圖1. 六方結(jié)構(gòu)水溶性犧牲層BaAl?O?薄膜制備及結(jié)構(gòu)

研究表明，BaAl?O?在水中可快速溶解，并且在空氣以及高溫O?、NH?等苛刻環(huán)境中仍能保持良好的晶體穩(wěn)定性。在此基礎(chǔ)上，研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步系統(tǒng)研究了六方/三重對(duì)稱體系中薄膜外延生長與應(yīng)變弛豫的普適機(jī)制。并發(fā)現(xiàn)“界面緩沖 + 疇匹配”的雙重機(jī)制可以有效釋放界面應(yīng)力。借助BaAl?O?水溶性犧牲層，研究人員成功制備了多種六方和三重對(duì)稱性自支撐氧化物薄膜及柔性器件。具體而言，YMnO?自支撐膜在柔性基底上展現(xiàn)出穩(wěn)定、可控的鐵電極化行為，顯示其在柔性鐵電存儲(chǔ)中的應(yīng)用潛力；In?O?自支撐膜被成功集成至Si基薄膜晶體管中，獲得高開關(guān)比的柵控特性；基于寬禁帶半導(dǎo)體β-Ga?O?自支撐膜構(gòu)筑的柔性日盲光電探測器，實(shí)現(xiàn)了高達(dá)10?的光/暗電流比和約3.8×103 mA/W的響應(yīng)度，并在多次彎折后保持性能穩(wěn)定。尤為重要的是，BaAl?O?對(duì)高溫與極端環(huán)境（如氨氣、氮?dú)猓┑哪褪苄裕?strong>使得氮化物的外延與自支撐成為可能，顯著拓寬了可實(shí)現(xiàn)材料體系的范圍。

本研究成果近期以“Water-soluble hexagonal BaAl?O? as sacrificial layer for freestanding crystalline membranes and flexible devices”為題發(fā)表在Nature Materials 上，物理所為第一單位。中國科學(xué)院物理研究所和北京郵電大學(xué)聯(lián)合培養(yǎng)的博士生李夢成和陸超博士（已畢業(yè)）為共同第一作者，物理所魯年鵬研究員、張慶華副研究員和北京郵電大學(xué)李培剛教授為共同通訊作者。中國科學(xué)院物理研究所張廣宇研究員、趙繼民研究員、周發(fā)然副研究員、紀(jì)愛玲副研究員，清華大學(xué)物理系于浦教授，清華大學(xué)材料學(xué)院谷林教授，北京科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院蔣朋教授、中國科學(xué)院寧波材料所曹彥偉研究員，西北大學(xué)物理學(xué)院司良教授，松山湖材料實(shí)驗(yàn)室李娜副研究員等為本工作提供了支持。該工作受到了科技部、基金委、中國科學(xué)院和北京市基金的經(jīng)費(fèi)支持。

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