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(shù)領(lǐng)域,，遠程外延技術(shù)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(xiàn)納米膜剝離的特性,，拓寬了器件應用范圍。然而,，傳統(tǒng)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(shù)在氧化物納米膜制備方面的發(fā)展。

近日,，復旦大學相關(guān)課題組在《Nature Communications》上發(fā)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(chuàng)新性地利用原子層沉積（ALD）技術(shù)制備了亞納米厚的無定形Al₂O₃夾層，成功實現(xiàn)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(jié)構(gòu)近乎單晶，在金屬-絕緣體轉(zhuǎn)變（MIT）過程中電阻變化高達4個數(shù)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(tǒng)異質(zhì)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(zhì)外延氧化物材料提供了新途徑，為未來大規(guī)模集成電路和功能器件的發(fā)展奠定了重要基礎(chǔ),。

在本研究中,，小型臺式無掩膜直寫光刻系統(tǒng)- MicroWriter ML3發(fā)揮了不可忽視的關(guān)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(jié)構(gòu),，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(xiàn)復雜圖案的精確光刻,。這為研究人員探索新型微納器件結(jié)構(gòu),、拓展研究邊界提供了有力的技術(shù)支持。

小型臺式無掩膜直寫光刻系統(tǒng)- MicroWriter ML3

【圖文導讀】

圖1.利用ALD技術(shù)實現(xiàn)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(jié)構(gòu)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(zhuǎn)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(qū)域的高角環(huán)形暗場（HAADF）-STEM圖像,，對應（e）中方框區(qū)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(cè)為兩者各自的快速傅里葉變換（FFT）,，標尺為5 nm?1。(g) 轉(zhuǎn)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(huán)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(guān)系的示意圖,。(f) 轉(zhuǎn)移到透射電鏡（TEM）網(wǎng)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(zhuǎn)移后VO?納米膜的平面視圖選區(qū)電子衍射（SAED）圖像,，顯示面內(nèi)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(zhuǎn)移后VO?納米膜的表征結(jié)果,。(a)XRD表征曲線,。(b) VO? (011) 面的XRD掃描結(jié)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(huán)中溫度依賴的電阻變化，顯示4個數(shù)量級的調(diào)制幅度,。右圖：電阻一階導數(shù),，顯示金屬-絕緣體轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(tài)下外延VO?和多晶VO?熱輻射計在黑暗環(huán)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(jié)構(gòu)示意圖,。(e) 生長狀態(tài)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(jié)論】

綜上所述，相關(guān)研究團隊通過遠程外延技術(shù)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(tǒng)- 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(jié)構(gòu)的制備優(yōu)勢,，在新型納米器件制備技術(shù)的發(fā)展中發(fā)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(shù)保障,，更為整個微納器件研究領(lǐng)域注入了新的活力,，推動著相關(guān)研究不斷邁向新的高度。

相關(guān)產(chǎn)品：

Microwriter ML3-小型臺式無掩膜光刻系統(tǒng)_納米直寫,、光刻設(shè)備-QUANTUM量子科學儀器貿(mào)易（北京）有限公司