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金剛石是一種特殊的材料，由于其有趣的性質，在各個領域都具有巨大的潛力。

然而，盡管在過去的幾十年里進行了大量的努力，但生產大量廣泛使用的超薄金剛石膜，仍然具有挑戰性。

在此，來自北京大學東莞光電研究所的王琦&南方科技大學的李攜曦&香港大學的林原和褚智勤等研究者證明了使用膠帶的邊緣暴露剝離是一種簡單、可擴展且可靠的方法，可用于生產超薄和可轉移的多晶金剛石膜。相關論文以題為“Scalable production of ultraflat and ultraflexible diamond membrane”于2024年12月18日發表在Nature上。

鉆石，因其卓越的載流子遷移率、熱導率、介電擊穿強度、超寬禁帶以及從紅外到深紫外范圍的光學透明性，被認為是電子和光子領域應用的理想材料。

為了取代昂貴的天然鉆石，人們通過高溫高壓法和化學氣相沉積（CVD）技術，已經大規模制備出合成鉆石（包括單晶和多晶類型），并廣泛應用于電學、光學、機械、熱學和聲學等領域。

然而，盡管鉆石具有巨大的應用潛力，其大規模推廣仍受限于無法制備出兼容成熟硅基半導體技術的大面積層狀形式。

因此，研發高質量、晶圓級的超薄鉆石膜，具備出色的可控性和異質集成潛力，將為下一代電子與光子器件帶來廣闊的應用前景。

目前，超薄鉆石的制備主要通過兩種途徑：一是切割塊體鉆石，二是在異質基底上進行CVD生長。

切割塊體鉆石能夠獲得高質量的單晶鉆石膜，但受限于激光和聚焦離子束處理，該方法在膜的尺寸和表面粗糙度方面存在局限，難以實現工業化規模生產。

異質生長方法則能制備出厚度可控的晶圓級膜，但由于鉆石與硅基生長基底之間的晶格失配，往往生成表面粗糙的多晶鉆石膜，限制了其在微納加工、異質集成及熱管理中的應用。

盡管機械和化學拋光可有效平整較厚和粗糙的膜，但從生長基底上分離膜仍需要復雜的工藝，例如等離子刻蝕和化學蝕刻硅基底。這些刻蝕策略不僅耗時長，而且膜的尺寸通常僅達到毫米級，難以實現大規模生產。

因此，亟需一種簡單且可擴展的方法來獲得并轉移超薄、超平整的鉆石膜，以促進其廣泛應用。

受單層材料（如石墨烯）成功開發的啟發，這里，研究者們展示了一種通過單步暴露邊緣剝離法來制備和轉移晶圓級超平整、超柔性鉆石膜的可行方案。

利用3M膠帶和自制的精密控制剝離速度和角度的裝置，研究者成功將直徑2英寸的鉆石膜從其硅基生長基底上分離。

掃描電子顯微鏡（SEM）和原子力顯微鏡（AFM）圖像顯示，剝離后膜的底面非常平整（表面粗糙度Ra < 1 nm），突破了精密微納加工的瓶頸。

研究者進一步將膜轉移至柔性聚二甲基硅氧烷（PDMS）基底，并展示了一種柔性鉆石應變傳感器的原型，可在2%應變下承受超過10,000次變形循環。

圖1 去角質晶圓級金剛石膜。

圖2 脫落金剛石膜的詳細表征。

圖3 機械剝離金剛石膜的超光滑性。

圖4 可穿戴電子應用的柔性金剛石膜。

圖5 影響機械剝離金剛石膜質量的因素。

綜上所述，研究者展示了邊緣暴露剝離法是一種簡單快捷的方式，可以商業化生產可轉移的晶圓級超薄且超平整的鉆石膜。

通過實驗演示和計算分析確定的最優操作窗口，為實現標準化工業生產提供了指導。此外，該方法具備可擴展性，適用于任何膜的厚度和尺寸。與標準單晶塊體鉆石相比，

研究者的鉆石膜在光學性質（在450 nm波長下折射率約為2.36）、熱導率（約1300 W m^?¹ K^?¹）和電阻率（約1010Ω）方面表現相當。與其他方法不同，使用研究者的方法制備的膜足夠平整（表面粗糙度<1 nm），適用于精確的微納加工。

對于厘米級樣品，膜的最大變形（約4%應變）實現了宏觀尺度上的彈性應變工程，為下一代基于鉆石的電子學（例如場效應晶體管、p–n結二極管）、光子學（例如拉曼激光器、紫外探測器、平面光子器件，包括超透鏡和超表面、光子結構包括環形諧振器和腔體諧振器、波導、納米柱）、力學（例如機械懸臂梁、微機電系統設備）、熱學（例如片上熱擴散器）、聲學（例如表面聲波濾波器、平面聲學超材料）以及量子技術（例如可擴展且可定制的設備）打開了新的應用前景。

參考文獻

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

原創文章，作者：zhan1，如若轉載，請注明來源華算科技，注明出處：http://www.zzhhcy.com/index.php/2024/12/19/69b1ce6195/

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