Nature：“胶带”再立新功！撕出超高性能金刚石膜

一、【科学背景】

金刚石因其卓越的载流子迁移率、导热性、介电击穿强度以及从红外到深紫外（UV）的超宽带隙和光学透明度，是电子和光子应用的优秀材料。为了替代昂贵的天然钻石，通过高压高温和化学气相沉积（CVD）技术大规模生产的合成金刚石（单晶和多晶类型）在各种电气、光学、机械、热和声学应用中得到了广泛探索。尽管金刚石具有巨大的前景，但由于无法获得与发达的硅基半导体技术完全兼容的大面积、分层形式的这种材料，它们的广泛使用仍然受到阻碍。因此，开发具有出色可控性和异质集成潜力的高质量晶片级超薄金刚石膜，将为下一代电子和光子器件带来无数新机遇。目前，超薄金刚石是通过切片大块金刚石或在异质基底上通过CVD生长获得的。切片可以产生高质量的单晶金刚石（SCD），但该方法不适用于工业应用，因为所获得的膜的尺寸和表面粗糙度受到激光和聚焦离子束处理的限制。因此，为了促进超薄金刚石膜的广泛使用，迫切需要一种更简单、可扩展的方法来获得和转移超薄和超平的金刚石膜。

二、【创新成果】

基于以上难题，香港大学褚智勤教授、林原教授联合南方科技大学李携曦助理教授、北京大学王琦教授在Nature发表了题为“Scalable production of ultraflat and ultraflexible diamond membrane”的论文，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，可用于生产超薄和可转移的多晶金刚石膜。该方法可以批量生产大面积（2英寸晶圆）、超薄（亚微米厚度）、超平（亚纳米表面粗糙度）和超柔性（360°可弯曲）金刚石膜。这些高质量的膜具有平坦的可加工表面，支持标准的微制造技术，其超柔性特性允许直接进行弹性应变工程和变形传感应用，而笨重的金刚石膜则无法做到这一点。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出基本完整的金刚石膜。该单步方法为大规模生产高品质金刚石膜开辟了新途径，有望加速金刚石时代在电子、光子学和其他相关领域的商业化和到来。 

研究人员首先使用微波等离子体化学气相沉积（CVD）在硅（Si）基底上生长金刚石膜。通过将胶带粘在金刚石顶部表面并沿界面剥离，可以将完整的2英寸金刚石膜剥离并保持结构完整性。随后对剥离的金刚石膜进行全面表征（包括平整度和柔性）。最后对边缘暴露剥离方法的可靠性进行研究。

图1  剥离的晶圆级金刚石膜 © 2024 Springer Nature

图2  剥离金刚石膜的详细表征 © 2024 Springer Nature

图3  机械剥离金刚石膜的超平整度研究 © 2024 Springer Nature

图4  可穿戴电子应用的柔性金刚石膜 © 2024 Springer Nature

图5  影响机械剥离金刚石膜质量的因素 © 2024 Springer Nature

三、【科学启迪】

本研究证明边缘暴露剥离法是一种简单快速的商业化生产可转移、晶圆级、超薄和超平金刚石膜的方法。通过实验和计算分析确定的最佳操作窗口为实现标准工业生产提供了指导。此外，该方法可扩展，适用于任何膜厚度和尺寸。与标准单晶块体金刚石相比，该方法制备的膜显示出相当的光学性能（在450 nm波长下的折射率约为2.36）、热导率（约1300 W m^-1 K^-1）和电阻率（约10¹⁰Ω）。与其他方法不同，使用本方法生产的膜足够平坦（粗糙度 < 1 nm），适用于精确的微细加工和纳米加工。厘米级样品的支撑变形（约4%的应变）实现了宏观尺寸的弹性应变工程，为下一代基于金刚石的电子产品（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、包括金属透镜和超表面的平面光子器件、包括环和腔谐振器的光子结构、波导、纳米柱），力学（例如机械悬臂、微机电系统设备），热学（例如片上散热器），声学（例如表面声波滤波器、平面声学超材料）和量子技术（例如可扩展和可定制的设备）开辟了可能性。

原文详情：Scalable production of ultraflat and ultraflexible diamond membrane (Naure 2024, 636, 627-634)

本文由赛恩斯供稿。