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付出了巨大的努力,但生产大量广泛使用的超薄金刚石膜,仍然具有挑战性。
2024年12月18日,香港大学的褚智勤教授和林原教授、北京大学东莞光电研究院的王琦教授、南方科技大学的李携曦在国际顶级期刊Nature发表题为《Scalable production of ultraflat and ultraflexible diamond membrane》的研究论文,景纪祥、博士生Fuqiang Sun、王忠强为论文共同第一作者,褚智勤教授、林原教授、王琦教授、李携曦为论文共同通讯作者。
褚智勤,香港大学工程学院教授。2008年本科毕业于中国西北大学;2012年博士毕业于香港中文大学,随后留校担任博士后一年;2014-2016年在德国斯图加特大学从事博士后研究,2018年加入香港大学。
褚智勤教授团队目前主要的研究方向包括量子传感与探测、生物物理、生物力学和生物光子学的相关研究,曾在物理学、生物医学、材料科学、光子学和生物学交叉研究领域发表多篇高影响力论文。
林原,香港大学机械工程系教授。2000年和2001年分别本科、硕士毕业于清华大学,2004年、2008年获布朗大学硕士和博士学位,博士期间师从三院院士L.B. Freund。2008年加入香港大学。
林原教授的主要研究方向为生物聚合物网络的力学、机械细胞可塑性、集体细胞迁移、生物医学应用的新型设备。
王琦,北京大学东莞光电研究所教授、副院长。博士毕业于英国谢菲尔德大学,并留校担任博士后;曾在加拿大McGill大学从事博士后研究,现任职于北京大学东莞光电研究所。
王琦教授主要研究半导体材料生长、器件制备与性能,发表论文100余篇,申请和授权国内外专利近90件。
李携曦,南方科技大学深港微电子学院助理教授。2009年、2013年在香港大学获得学士和博士学位,2013-2016年先后在麦吉尔大学和香港大学从事博士后研究,随后加入香港大学,2019年入职南方科技大学。
李携曦博士主要从事氮化镓器件的微纳制造、集成光电器件的设计、制造与应用等相关领域的研究,在国际学术期刊和国际会议论文集上累计发表学术论文120余篇,其中以第一作者或通讯作者发表SCI论文50余篇。申请及授权美国及中国发明专利10余项。
在这里,作者证明使用胶带进行边缘暴露剥离是一种简单、可扩展且可靠的方法,用于生产超薄且可转移的多晶金刚石膜。
该方法能够大规模生产大面积(2英寸晶圆)、超薄(亚微米厚度)、超平坦(亚纳米表面粗糙度)和超柔性(360°可弯曲)金刚石膜。这些高质量的膜具有平坦的工作表面,支持标准的微制造技术,其超柔性特性允许直接弹性应变工程和变形传感应用,这是其笨重的同类膜无法实现的。
系统的实验和理论研究表明,剥离膜的质量取决于剥离角度和膜厚度,因此可以在最佳操作窗口内稳健地生产基本完整的金刚石膜。
这种一步法,为高品质金刚石膜的大规模生产开辟了新途径,有望加速电子、光子学等相关领域的商业化和金刚石时代的到来。
图1:去角质晶圆级金刚石膜
图2:剥离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,在这篇论文中,作者介绍了一种简单、可扩展的方法,使用粘性胶带进行边缘暴露剥离,以大规模生产超薄、超平坦、超柔性的多晶金刚石膜。该研究能够制造出大面积(2英寸晶圆)、超薄(亚微米厚度)、超平坦(亚纳米表面粗糙度)和超柔性(360°可弯曲)的金刚石膜,这对于电子学、光子学、力学、热学、声学、量子技术和其他相关领域具有重要的商业化和应用前景,特别是在高端材料和器件制造领域。
Jing, J., Sun, F., Wang, Z. et al. Scalable production of ultraflat and ultraflexible diamond membrane. Nature 636, 627–634 (2024).
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