超薄超平金刚石膜的可扩展生产

学术背景

金刚石作为一种具有优异物理性质的材料，在电子、光子、力学、热学和声学等领域具有广泛的应用潜力。然而，尽管过去几十年在金刚石材料的研究上取得了显著进展，大规模生产高质量的超薄金刚石膜仍然是一个巨大的挑战。传统的金刚石膜生产方法，如激光切割和化学气相沉积（CVD），虽然能够生产高质量的单晶金刚石（SCD），但在大规模工业应用中存在诸多限制，尤其是无法生产大面积、超薄且表面平整的金刚石膜。这些问题严重阻碍了金刚石材料在半导体技术中的广泛应用。

为了解决这一问题，研究人员一直在探索新的生产方法，以实现大面积、超薄、超平且可转移的金刚石膜的生产。本文提出了一种基于边缘暴露剥离的简单、可扩展且可靠的方法，成功生产出了大面积（2英寸晶圆）、超薄（亚微米厚度）、超平（亚纳米表面粗糙度）且超柔性（可360°弯曲）的金刚石膜。这一突破为金刚石材料在电子、光子等领域的商业化应用提供了新的可能性。

论文来源

本文由来自多个研究机构的团队共同完成，主要作者包括Jixiang Jing、Fuqiang Sun、Zhongqiang Wang等，分别来自香港大学、北京大学东莞光电研究院、南方科技大学等机构。论文于2024年12月19日至26日发表在《Nature》期刊上，题为《Scalable production of ultraflat and ultraflexible diamond membrane》。

研究流程

1. 金刚石膜的生长与剥离

研究团队首先使用微波等离子体化学气相沉积（CVD）技术在硅（Si）衬底上生长金刚石膜。通过控制生长时间，获得了不同厚度的金刚石膜。为了便于剥离，研究人员在硅晶圆的边缘进行裁剪，暴露金刚石与衬底的界面。随后，使用透明胶带将金刚石膜从衬底上剥离，成功获得了2英寸大小的金刚石膜。

2. 膜的质量表征

剥离后的金刚石膜经过了一系列的质量表征。拉曼光谱、X射线光电子能谱（XPS）和X射线衍射（XRD）分析表明，剥离后的金刚石膜具有与标准单晶金刚石相当的光学、电学和热学性质。此外，原子力显微镜（AFM）测量显示，剥离后的金刚石膜表面粗糙度低于1纳米，适合进行精确的微纳加工。

3. 膜的柔性测试

研究团队还测试了金刚石膜的柔性。实验表明，4微米厚的金刚石膜可以360°弯曲，并且可以包裹在不同半径的圆柱体上。通过将金刚石膜附着在柔性聚二甲基硅氧烷（PDMS）衬底上，研究人员展示了其在应变传感应用中的潜力。

4. 剥离参数优化

为了优化剥离过程，研究团队开发了一种自制的剥离装置，能够精确控制剥离速度和角度。通过实验和理论模拟，研究人员发现剥离角度和膜厚度是影响剥离质量的关键因素。在最佳操作窗口内，可以稳定地生产出无裂纹的金刚石膜。

主要结果

1. 高质量金刚石膜的生产：研究团队成功生产出了大面积、超薄、超平且可转移的金刚石膜，其表面粗糙度低于1纳米，适合进行精确的微纳加工。
2. 柔性应用：金刚石膜表现出优异的柔性，能够承受超过10,000次变形循环，展示了其在柔性电子和应变传感应用中的潜力。
3. 剥离参数优化：通过实验和理论模拟，研究人员确定了最佳的剥离角度和膜厚度，为大规模生产无裂纹的金刚石膜提供了指导。

结论

本文提出了一种基于边缘暴露剥离的简单、可扩展且可靠的方法，成功生产出了大面积、超薄、超平且可转移的金刚石膜。这一方法为金刚石材料在电子、光子等领域的商业化应用提供了新的可能性。研究结果表明，剥离后的金刚石膜具有与标准单晶金刚石相当的光学、电学和热学性质，并且表现出优异的柔性，适合进行精确的微纳加工和柔性电子应用。

研究亮点

1. 创新性剥离方法：本文首次提出了一种基于边缘暴露剥离的方法，成功实现了大面积、超薄金刚石膜的生产。
2. 高质量膜的生产：剥离后的金刚石膜具有超低的表面粗糙度和优异的柔性，适合进行精确的微纳加工和柔性电子应用。
3. 应用潜力：这一方法为金刚石材料在电子、光子等领域的商业化应用提供了新的可能性，有望加速金刚石时代的到来。

其他有价值的信息

本文的研究不仅为金刚石材料的生产提供了新的方法，还为其他二维材料的剥离和转移提供了参考。此外，研究团队还展示了金刚石膜在柔性电子、应变传感和量子技术等领域的应用潜力，为未来的研究提供了新的方向。

通过这一研究，金刚石材料的大规模生产和应用迈出了重要的一步，未来有望在电子、光子等领域发挥更大的作用。