文章名稱：Remote epitaxy and exfoliation of vanadium dioxide via sub-nanometer thick amorphous interlayer

期刊名稱：Nature Communications IF：14.74

DOI：https://doi.org/10.1038/s41467-024-55402-8

【引言】

在納米器件制備技術領域，遠程外延技術憑借在晶膜與基底間插入二維材料（如石墨烯）作為夾層來實現納米膜剝離的特性，拓寬了器件應用范圍。然而，傳統用于夾層的石墨烯在苛刻生長條件（如氧化和等離子體）下易受損，這一難題嚴重制約了該技術在氧化物納米膜制備方面的發展。

近日，復旦大學相關課題組在《Nature Communications》上發表了一項題為《Remote epitaxy and exfoliation of vanadium dioxide via sub-nanometer thick amorphous interlayer》的成果。該研究創新性地利用原子層沉積（ALD）技術制備了亞納米厚的無定形Al₂O₃夾層，成功實現了氧化物納米膜（如VO₂）的遠程外延生長。該夾層不僅耐受濺射損傷和氧化，還能保持基底電勢的傳遞，且易被HF移除。這一方法制備出的4英寸晶圓級自由站立VO2納米膜，晶體結構近乎單晶，在金屬-絕緣體轉變（MIT）過程中電阻變化高達4個數量級，物理性能完好。基于此納米膜制作的多形狀（如剝離、彎曲和卷曲）的紅外熱輻射計，相比多晶VO₂器件，探測率更高且電流噪聲更低。此研究成果不僅克服了傳統異質外延中晶格失配和化學鍵合的限制，更為制備各種自由站立異質外延氧化物材料提供了新途徑，為未來大規模集成電路和功能器件的發展奠定了重要基礎。

在本研究中，小型臺式無掩膜直寫光刻系統- MicroWriter ML3發揮了不可忽視的關鍵作用。在 VO₂納米膜器件的研究中，無論是多形狀紅外熱輻射計的特殊結構，還是其他具有復雜幾何形狀和功能需求的微納器件，MicroWriter ML3 都能通過靈活的光刻策略，實現復雜圖案的精確光刻。這為研究人員探索新型微納器件結構、拓展研究邊界提供了有力的技術支持。

小型臺式無掩膜直寫光刻系統- MicroWriter ML3

【圖文導讀】

圖1.利用ALD技術實現VO?納米膜的遠程外延生長。(a) 密度泛函理論（DFT）計算中，藍寶石基底上無定形Al?O?夾層的原子結構配置。(b) 如（a）中藍線所示的無定形Al?O?夾層頂表面的平面視圖電荷密度（ρ）等高線圖。(c) 橫截面ρ分布等高線圖。(d) VO?納米膜遠程外延生長的工藝示意圖：ALD在藍寶石（0001）基底上形成無定形Al?O?夾層，隨后通過反應濺射外延生長VO?納米膜，最后蝕刻掉夾層以剝離并轉移VO?納米膜。(e) 生長在藍寶石基底上的VO?納米膜的橫截面掃描透射電子顯微鏡（STEM）圖像，標尺為100 nm。(f) VO?納米膜與藍寶石基底界面區域的高角環形暗場（HAADF）-STEM圖像，對應（e）中方框區域，標尺為1 nm。插圖為VO?納米膜和藍寶石的模擬原子配置，右側為兩者各自的快速傅里葉變換（FFT），標尺為5 nm?1。(g) 轉移到聚酰亞胺/聚二甲基硅氧烷（PI/PDMS）上的4英寸外延VO?納米膜照片，標尺為2 cm。

圖2. VO?納米膜的外延取向分析(a) VO? (011) 面的X射線衍射（XRD）極圖。

(b) VO?納米膜與藍寶石的橫截面STEM圖像，標尺為5 nm。(c)、(d) 分別對應（b）中紅框和藍框所示VO?不同疇的高角環形暗場（HAADF）-STEM圖像（晶帶軸為VO? [102] 和 [201]），白色虛框插圖（放大原子圖像）與模擬一致，標尺為2 nm。(e) VO?（綠色）與藍寶石（藍色）之間外延關系的示意圖。(f) 轉移到透射電鏡（TEM）網格上的VO?納米膜STEM圖像，標尺為1 μm。(g) VO?疇的出平面HAADF-STEM圖像（紅、黃陰影標示），標尺為2 nm，插圖為快速傅里葉變換（FFT）圖像，箭頭方向為VO? [100]。(h) 轉移后VO?納米膜的平面視圖選區電子衍射（SAED）圖像，顯示面內三重對稱性，標尺為2 nm?1，出平面方向為VO? [010] 晶帶軸。

圖3.生長及轉移后VO?納米膜的表征結果。(a)XRD表征曲線。(b) VO? (011) 面的XRD掃描結果。(c)VO?(020)峰附近的倒易空間圖，黃色虛線表示塊體VO?值。(d)左圖：加熱和冷卻循環中溫度依賴的電阻變化，顯示4個數量級的調制幅度。右圖：電阻一階導數，顯示金屬-絕緣體轉變（MIT）溫度。(e)沿VO?納米膜（約10μm）線掃描獲得的拉曼光譜，確認生長及轉移后VO?納米膜均為單斜相。

圖4.多形狀VO?納米膜熱輻射計。(a)剝離的外延VO?熱輻射計，標尺為1 cm。(b)彎曲的外延VO?熱輻射計，標尺為100μm。(c)卷起的外延VO?熱輻射計，微管直徑約50 μm，標尺為200 μm。（a-c）上部為器件示意圖，下部為實際樣品光學圖像。(d) 生長狀態下外延VO?和多晶VO?熱輻射計在黑暗環境及室溫下的I-V特性，外延VO?熱輻射計顯示更高電流響應。插圖：VO?單斜相（M）和金紅石相（R）的晶體結構示意圖。(e) 生長狀態下外延VO?和多晶VO?熱輻射計的電流噪聲隨頻率變化，外延VO?熱輻射計噪聲更低，虛線表示f?1噪聲趨勢。(f) 不同器件在2 V偏壓下隨黑體溫度變化的探測率。

【結論】

綜上所述，相關研究團隊通過遠程外延技術成功制備了高性能、低成本、可剝離的VO?納米膜器件。小型臺式無掩膜直寫光刻系統- MicroWriter ML3也憑借其靈活的光刻手段、精準的定位能力和對復雜結構的制備優勢，在新型納米器件制備技術的發展中發揮了重要作用。它不僅為 VO?納米膜器件的研究提供了堅實的技術保障，更為整個微納器件研究領域注入了新的活力，推動著相關研究不斷邁向新的高度。

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