【材料】晶圆尺寸自支撑VO2薄膜- 大数跨境

X-MOL资讯

2022-01-02

导读：北京工业大学张新平教授团队和清华大学刘锴副教授团队发展了一种纳米孔洞渗透刻蚀（NPE）策略来制备大面积自支撑VO2薄膜

1959年，研究人员通过研究二氧化钒（VO₂）电导率随温度变化，发现VO₂在68 摄氏度下会发生金属-绝缘体相变。随后，人们又发现，伴随着相变，VO₂的晶体结构和物理特性，诸如能带、功函数、电导率、折射率等都会发生巨变。作为一种性能优异的相变材料，VO₂被广泛应用于光调制器、应变传感器以及驱动器等领域。然而，VO₂薄膜的制备通常需要高温（500 ℃左右）和含氧环境，这样的制备条件会破坏其它材料或产生显著的界面应力，使得VO₂薄膜难以与现有的半导体加工制程兼容。将VO₂薄膜从生长基底上剥离形成自支撑薄膜，像转移二维层状材料一样转移到目标基底上，是实现VO₂器件集成的有效策略。但是，传统的去除牺牲层的侧向腐蚀剥离方法十分耗时，比如对于2英寸晶圆的薄膜来讲，需要上千分钟的刻蚀时间，而VO₂是一种两性氧化物，长期浸泡在刻蚀液中会损伤VO₂材料，造成其性能衰退。

针对上述问题，北京工业大学张新平教授团队和清华大学刘锴副教授团队发展了一种纳米孔洞渗透刻蚀（NPE）策略来制备大面积自支撑VO₂薄膜（图1）。该方法的核心思路是在SiO₂基底（SiO₂/Si基底或石英基底）上制备具有纳米针孔的VO₂薄膜，之后利用缓冲氧化物刻蚀液自上而下地去除VO₂薄膜下面的SiO₂牺牲层，从而获得可自由转移的大面积自支撑VO₂薄膜（f-VO₂）。首先，由于牺牲层的去除是自上而下的而非单纯侧向刻蚀，因此能在6分钟的短时间内获得大面积自支撑VO₂薄膜。其次，由于VO₂薄膜的自支撑特性，所以无需使用有机物薄膜作为支撑层辅助转移，从而简化了转移工艺且避免了VO₂表面被污染。最后，自支撑VO₂薄膜可以转移到任意基底上，借鉴目前二维材料器件中常见的堆叠法，即可获得VO₂与其它材料复合的异质集成器件。

图1. 通过纳米孔洞渗透刻蚀策略制备大面积自支撑VO₂薄膜。

在成功制备大面积自支撑VO₂薄膜的基础上，研究团队从相变特性、结构特性及力学特性三个方面研究了自支撑VO₂薄膜的特性（图2）。将自支撑VO₂薄膜转移到带有孔洞的导电的碳纳米管薄膜上，仅6.7 mW/mm²的功率带来的焦耳热就可以使VO₂薄膜1600 nm处透射率从49.5%降低到0.8%。当温度从30 摄氏度变化到90摄氏度后，自支撑VO₂薄膜的电阻变化幅度达三个数量级以上。利用变温拉曼光谱及X射线衍射表征自支撑VO₂薄膜的结构特性，可发现其结构相较于原生薄膜未发生变化，所以纳米孔洞刻蚀法获得的自支撑VO₂薄膜具有良好的结构稳定性。利用扫描电镜中安装的微操台弯折自支撑VO₂薄膜，其最大弯曲应变可达1.2%；且在与云母薄膜复合后，多次弯曲超过10,000次后，光学特性及相变特性仍未发生变化，可见自支撑VO₂薄膜具有优异的力学性能。

图2. 自支撑VO₂薄膜的相变、结构和机械性能

将自支撑VO₂薄膜转移到碳纳米管薄膜上可制备具有大调制深度、低插入损耗、宽带响应及快速响应的高性能主动THz调制器（图3）。以前，基底主要从两个方面制约VO₂基THz调制器件性能：基底对THz波有一定的吸收，从而降低透过率；基底本身热容导致器件有较高的激发阈值和较长的响应时间。自支撑VO₂薄膜的低热容特性有效地避免了以上问题，从而能够提高THz调制器件的性能。自支撑VO₂/CNT薄膜太赫兹调制器的调制深度为84%，而插入损耗只有0.36 dB，响应时间仅为26 ms。

图3. 自支撑VO₂/CNT薄膜的太赫兹调制器。

VO₂薄膜的自支撑特性使其可被转移至任意基底（“即贴即用”特性），除了常见的PI、PET等柔性基底外，VO₂薄膜还可与具有复杂结构的生物有机体复合来构建功能器件。例如，将自支撑VO₂薄膜覆盖于蓝色大闪蝶的翅膀上可建立具有热伪装能力的光致驱动器。VO₂/蝴蝶翅膀复合薄膜能在可光见和中红外波段发生热致变色。在极低光功率辐照下，VO₂/蝴蝶翅膀复合薄膜即可发生弯曲运动。自支撑VO₂薄膜对具有复杂形貌的有机结构的适应性为构建高性能宏观力学器件提供新的策略。