|
功能陶瓷薄膜被广泛用于压电铁电器件、计算机芯片等重要电子设备。随着电子设备日益追求轻便和柔性化,传统基于硅片的薄膜加工体系已经难以满足需求。为此,更多的工艺开始以保证薄膜质量为前提,尝试实现薄膜与生长基底的分离,例如湿法刻蚀、激光刻蚀等。这样做的目的是以获取自支撑氧化物薄膜,从而最大可能地提升器件柔性性能,并为后续的器件集成提供更高的自由度。然而,这些刻蚀工艺的基础成本和技术门槛都很高,并且很可能对薄膜和基底界面造成不可逆的损害。这就使得功能陶瓷薄膜难以像有机材料那样被广泛用于柔性电子设备。那么,有没有一种方法,完全无需刻蚀,也不需要破坏材料本身,就能够轻松打开陶瓷薄膜和生长基底之间的界面,从而得到自支撑陶瓷薄膜呢?这个想法显然难以实现,因为外延生长的陶瓷薄膜通常和基底之间为共价键连接,强度远远大于范德华力,二维材料研究中常见的机械剥离等范德华转移法无法适用于陶瓷薄膜。
Shiyuan Liu, Junchen Liao, Xin Huang, Zhuomin Zhang, Weijun Wang, Xuyang Wang, Yao Shan, Pengyu Li, Ying Hong, Zehua Peng, Xuemu Li, Bee Luan Khoo, Johnny C Ho, Zhengbao Yang#*
Nano-Micro Letters (2023)15: 131
https://doi.org/10.1007/s40820-023-01105-6
图 1. 陶瓷薄膜水滴剥离过程。(a) 陶瓷薄膜水剥离的示意图;(b) 自支撑BCZT薄膜粘附在手套指尖;(c) 自支撑薄膜的弹性形变忍受程度;(d) 水剥离BCZT薄膜的实际演示。
图 2. 材料性能表征。(a) BCZT 薄膜顶面的 SEM 图像;(b) 一块独立 BCZT 薄膜的横截面视图的 SEM 图像和(c)放大图像;(d) EDS 结果;(e)200 mV 驱动电压下的 PFM 压电响应振幅;(f)相应的相位分布;(g)相电压滞后环和应变电压滞后环;(h)压电响应在 50 至 250 mV 驱动电压下的线性拟合;(i)厚度与d33近年来BCZT薄膜的比较,按物理和化学制备方法分类;(j)在 BCZT 膜表面培养的肌成纤维细胞的细胞活力,BCZT 膜被 10 μm 厚的 PDMS 层包裹,以及经过 1、3 和 5 天培育后的纯 PDMS 膜。
图 3. 柔性压电能量收集器。
图 4. 病毒探测器。
最后,研究人员对这项工艺进行了生命周期评估,对比传统的干法刻蚀工艺,计算得到水滴剥离法的能量消耗和二氧化碳排放当量仅为干法刻蚀的37%左右(仅考虑基底去除过程),验证了该方法的环境友好性。
图 5. 生命周期评估。
本文通讯作者