[發明專利]基于范德華外延獲得大面積高質量柔性自支撐單晶氧化物薄膜的方法

有效

• 申請號: 201810315141.0
• 申請日: 2018-04-10
• 公開（公告）號: CN108517555B
• 公開（公告）日: 2020-08-04
• 發明（設計）人: 陸小力;王濤;吳飛虎;王賀;黃玉瑤;張進成;郝躍
• 申請（專利權）人: 西安電子科技大學
• 主分類號: C30B23/08
• 分類號: C30B23/08;C30B29/16;C30B29/64
• 代理公司: 陜西電子工業專利中心 61205
• 代理人: 王品華;朱紅星

本發明公開了一種基于范德華外延獲得大面積高質量柔性自支撐單晶氧化物薄膜的方法，主要解決現有技術制備氧化物薄膜流程復雜的問題。其實現步驟是：1.在云母襯底上通過脈沖激光沉積技術生長氧化物薄膜；2.在氧化物薄膜表面旋涂上聚甲基丙烯酸甲酯，再浸入弱酸性溶液，待薄膜邊角微微翹起時，將其取出至清水中，利用水的張力使薄膜脫離云母襯底，再轉移至后續所需要的襯底上，得到大面積高質量柔性自支撐單晶氧化物薄膜。本發明通過采用云母襯底及弱酸性溶液，可獲得基于范德華外延的大面積高質量柔性氧化物薄膜，且大大縮短了薄膜制備時間，可用于為柔性電子器件制備多種功能的氧化物薄膜。

技術領域

本發明屬于微電子技術領域，特別涉及一種獲得大面積高質量柔性自支撐單晶氧化物薄膜的方法，可用于多種功能氧化物薄膜的制備。

背景技術

柔性電子器件是將電子器件制作在柔性、可延展的有機物或薄金屬襯底上的一種新興電子技術，因其獨有的延展性，近年來在電子、醫療、能源和國防等領域展現出了廣闊的應用前景，如柔性顯示器、柔性可穿戴設備、表皮電子和柔性太陽能電池等。柔性電子器件主要由金屬或半導體薄膜和柔性基底組成。制備柔性電子器件最關鍵的兩點就是如何制備性能優異、延展性好、結構穩定的柔性半導體薄膜，以及如何將薄膜完整的轉移到后續柔性襯底上。

柔性半導體薄膜的制備主要有兩種方式。第一種方式是直接在柔性襯底，例如聚酰亞胺塑料PI、金屬薄片上直接外延生長，不需要剛性基底。但是由于薄膜與柔性襯底間不易實現晶格匹配，因此難以獲得結晶質量較好的薄膜。第二種方式是先在與薄膜晶格匹配的剛性襯底上外延生長薄膜，再通過剝離獲得自支撐的半導體薄膜，最后轉移到柔性襯底上。這種方法可以在晶格匹配的襯底上制備出質量較好的薄膜，然而由于該方法要求薄膜與襯底有較高的晶格匹配度，因此限制了薄膜與襯底的可選擇性。此外，由于通常的襯底面積較小，也限制了其上生長的薄膜的面積。

通過轉移獲得自支撐薄膜的關鍵在于通過何種方式將薄膜從襯底上剝離，目前主要的方式有離子交換法、化學腐蝕法。離子交換法是利用離子交換劑與液態電解質之間的產生的化學置換反應來進行分離，材料的選擇受到交換劑種類的限制，且成本較高；化學腐蝕法是利用酸或堿溶液來腐蝕掉中間的犧牲層來進行分離，這種方法需要先生長犧牲層，增加了薄膜制備與轉移的時間。

發明內容

本發明針對上述已有技術的不足，提供一種基于范德華外延獲得大面積高質量柔性自支撐單晶氧化物薄膜的方法，以縮短薄膜制備時間，提高轉移氧化物薄膜的質量。

本發明的技術關鍵是：在云母襯底上通過脈沖激光沉積技術生長氧化物薄膜，涂膠保護，然后浸入弱酸溶液，在氫離子的作用下，薄膜易于從云母上剝離，待薄膜邊角微微翹起時，將其取出至清水中，利用水的張力使薄膜脫離云母襯底，再轉移至后續所需要的襯底上，將膠溶解，即得到大面積高質量柔性自支撐單晶氧化物薄膜。由于云母表面十分平整，可生長出基于范德華外延的不受晶格匹配限制的高質量薄膜，且薄膜可選擇性增多；由于目前人工云母的面積已達到平方厘米甚至平方米，因此可得到大面積的薄膜。本發明的實現步驟包括如下：

(1)在云母襯底上生長氧化物薄膜：

將云母襯底、氧化物靶材放入脈沖激光沉積系統的反應室中，對反應室抽真空；再向反應室中通入氧氣，使反應室的氧壓維持在0.01mbar，設定激光器的能量密度為2.4～3J/cm²和頻率為5Hz，設定襯底的溫度為600～800℃，使激光器射出激光，燒灼氧化物靶材1000～3000次，使燒灼出來的氧化物等離子體沉積在云母襯底上，完成氧化物薄膜的生長；

(2)形成附有聚甲基丙烯酸甲酯PMMA的氧化物薄膜：

在氧化物薄膜的表面旋涂上一層用氯苯稀釋1/6的聚甲基丙烯酸甲酯PMMA溶液，并放在加熱臺上，在150℃下加熱3分鐘，在180℃下加熱1.5分鐘，自然降溫，形成一層附有聚甲基丙烯酸甲酯PMMA的氧化物薄膜；