香港大学，今日重磅Nature！胶带，再立新功！

金刚石是一种特殊的材料，由于其有趣的性质，在各个领域都具有巨大的潜力。

然而，尽管在过去的几十年里进行了大量的努力，但生产大量广泛使用的超薄金刚石膜，仍然具有挑战性。

在此，来自北京大学东莞光电研究所的王琦&南方科技大学的李携曦&香港大学的林原和褚智勤等研究者证明了使用胶带的边缘暴露剥离是一种简单、可扩展且可靠的方法，可用于生产超薄和可转移的多晶金刚石膜。相关论文以题为“Scalable production of ultraflat and ultraflexible diamond membrane”于2024年12月18日发表在Nature上。

钻石，因其卓越的载流子迁移率、热导率、介电击穿强度、超宽禁带以及从红外到深紫外范围的光学透明性，被认为是电子和光子领域应用的理想材料。

为了取代昂贵的天然钻石，人们通过高温高压法和化学气相沉积（CVD）技术，已经大规模制备出合成钻石（包括单晶和多晶类型），并广泛应用于电学、光学、机械、热学和声学等领域。

然而，尽管钻石具有巨大的应用潜力，其大规模推广仍受限于无法制备出兼容成熟硅基半导体技术的大面积层状形式。

因此，研发高质量、晶圆级的超薄钻石膜，具备出色的可控性和异质集成潜力，将为下一代电子与光子器件带来广阔的应用前景。

目前，超薄钻石的制备主要通过两种途径：一是切割块体钻石，二是在异质基底上进行CVD生长。

切割块体钻石能够获得高质量的单晶钻石膜，但受限于激光和聚焦离子束处理，该方法在膜的尺寸和表面粗糙度方面存在局限，难以实现工业化规模生产。

异质生长方法则能制备出厚度可控的晶圆级膜，但由于钻石与硅基生长基底之间的晶格失配，往往生成表面粗糙的多晶钻石膜，限制了其在微纳加工、异质集成及热管理中的应用。

尽管机械和化学抛光可有效平整较厚和粗糙的膜，但从生长基底上分离膜仍需要复杂的工艺，例如等离子刻蚀和化学蚀刻硅基底。这些刻蚀策略不仅耗时长，而且膜的尺寸通常仅达到毫米级，难以实现大规模生产。

因此，亟需一种简单且可扩展的方法来获得并转移超薄、超平整的钻石膜，以促进其广泛应用。

受单层材料（如石墨烯）成功开发的启发，这里，研究者们展示了一种通过单步暴露边缘剥离法来制备和转移晶圆级超平整、超柔性钻石膜的可行方案。

利用3M胶带和自制的精密控制剥离速度和角度的装置，研究者成功将直径2英寸的钻石膜从其硅基生长基底上分离。

扫描电子显微镜（SEM）和原子力显微镜（AFM）图像显示，剥离后膜的底面非常平整（表面粗糙度Ra < 1 nm），突破了精密微纳加工的瓶颈。

研究者进一步将膜转移至柔性聚二甲基硅氧烷（PDMS）基底，并展示了一种柔性钻石应变传感器的原型，可在2%应变下承受超过10,000次变形循环。

图1 去角质晶圆级金刚石膜。

图2 脱落金刚石膜的详细表征。

图3 机械剥离金刚石膜的超光滑性。

图4 可穿戴电子应用的柔性金刚石膜。

图5 影响机械剥离金刚石膜质量的因素。

综上所述，研究者展示了边缘暴露剥离法是一种简单快捷的方式，可以商业化生产可转移的晶圆级超薄且超平整的钻石膜。

通过实验演示和计算分析确定的最优操作窗口，为实现标准化工业生产提供了指导。此外，该方法具备可扩展性，适用于任何膜的厚度和尺寸。与标准单晶块体钻石相比，

研究者的钻石膜在光学性质（在450 nm波长下折射率约为2.36）、热导率（约1300 W m⁻¹ K⁻¹）和电阻率（约1010Ω）方面表现相当。与其他方法不同，使用研究者的方法制备的膜足够平整（表面粗糙度<1 nm），适用于精确的微纳加工。

对于厘米级样品，膜的最大变形（约4%应变）实现了宏观尺度上的弹性应变工程，为下一代基于钻石的电子学（例如场效应晶体管、p–n结二极管）、光子学（例如拉曼激光器、紫外探测器、平面光子器件，包括超透镜和超表面、光子结构包括环形谐振器和腔体谐振器、波导、纳米柱）、力学（例如机械悬臂梁、微机电系统设备）、热学（例如片上热扩散器）、声学（例如表面声波滤波器、平面声学超材料）以及量子技术（例如可扩展且可定制的设备）打开了新的应用前景。

参考文献

Jing, J., Sun, F., Wang, Z. et al. Scalable production of ultraflat and ultraflexible diamond membrane. Nature 636, 627–634 (2024).

原创文章，作者：zhan1，如若转载，请注明来源华算科技，注明出处：https://www.v-suan.com/index.php/2024/12/19/69b1ce6195/

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