一种六方结构水溶性牺牲层的发现和制备 | 进展

由于化学键合方式与界面能量的限制，功能氧化物薄膜的外延生长往往与衬底形成强离子或共价结合，难以实现无损剥离，这在很大程度上制约了自支撑薄膜在柔性电子学、应变工程及异质集成等方向的应用。近年来发展起来的“牺牲层”策略，为高质量自支撑薄膜的制备提供了一条重要路径。然而，现有牺牲层材料体系几乎全部集中于立方钙钛矿结构，难以兼容六方或三重对称晶体薄膜，从而在材料应用范围上形成了显著瓶颈。

中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心表面物理国家重点实验室SF3曹则贤课题组的鲁年鹏研究员长期致力于功能氧化物的研究。近期，研究团队将研究视角拓展至长期被忽视的六方对称氧化物体系，成功发现并制备了一种水溶性、六方对称且在环境中高度稳定的BaAl₂O₄薄膜，首次将水溶性牺牲层从立方钙钛矿体系拓展至六方/三重对称材料领域。

图1. 六方结构水溶性牺牲层BaAl₂O₄薄膜制备及结构

研究表明，BaAl₂O₄在水中可快速溶解，并且在空气以及高温O₂、NH₃等苛刻环境中仍能保持良好的晶体稳定性。在此基础上，研究团队进一步系统研究了六方/三重对称体系中薄膜外延生长与应变弛豫的普适机制。并发现“界面缓冲 + 畴匹配”的双重机制可以有效释放界面应力。借助BaAl₂O₄水溶性牺牲层，研究人员成功制备了多种六方和三重对称性自支撑氧化物薄膜及柔性器件。具体而言，YMnO₃自支撑膜在柔性基底上展现出稳定、可控的铁电极化行为，显示其在柔性铁电存储中的应用潜力；In₂O₃自支撑膜被成功集成至Si基薄膜晶体管中，获得高开关比的栅控特性；基于宽禁带半导体β-Ga₂O₃自支撑膜构筑的柔性日盲光电探测器，实现了高达10⁴的光/暗电流比和约3.8×10³ mA/W的响应度，并在多次弯折后保持性能稳定。尤为重要的是，BaAl₂O₄对高温与极端环境（如氨气、氮气）的耐受性，使得氮化物的外延与自支撑成为可能，显著拓宽了可实现材料体系的范围。

本研究成果近期以“Water-soluble hexagonal BaAl₂O₄ as sacrificial layer for freestanding crystalline membranes and flexible devices”为题发表在Nature Materials 上，物理所为第一单位。中国科学院物理研究所和北京邮电大学联合培养的博士生李梦成和陆超博士（已毕业）为共同第一作者，物理所鲁年鹏研究员、张庆华副研究员和北京邮电大学李培刚教授为共同通讯作者。中国科学院物理研究所张广宇研究员、赵继民研究员、周发然副研究员、纪爱玲副研究员，清华大学物理系于浦教授，清华大学材料学院谷林教授，北京科技大学材料科学与工程学院蒋朋教授、中国科学院宁波材料所曹彦伟研究员，西北大学物理学院司良教授，松山湖材料实验室李娜副研究员等为本工作提供了支持。该工作受到了科技部、基金委、中国科学院和北京市基金的经费支持。

编辑：一毫