新型纳米器件获重要成果，台式无掩膜直写光刻系统再登Nat. Commun.！

发布日期：2025-03-24

文章名称：Remote epitaxy and exfoliation of vanadium dioxide via sub-nanometer thick amorphous interlayer

期刊名称：Nature Communications IF：14.74

DOI：https://doi.org/10.1038/s41467-024-55402-8

【引言】

在纳米器件制备技术领域，远程外延技术凭借在晶膜与基底间插入二维材料（如石墨烯）作为夹层来实现纳米膜剥离的特性，拓宽了器件应用范围。然而，传统用于夹层的石墨烯在苛刻生长条件（如氧化和等离子体）下易受损，这一难题严重制约了该技术在氧化物纳米膜制备方面的发展。

近日，复旦大学相关课题组在《Nature Communications》上发表了一项题为《Remote epitaxy and exfoliation of vanadium dioxide via sub-nanometer thick amorphous interlayer》的成果。该研究创新性地利用原子层沉积（ALD）技术制备了亚纳米厚的无定形Al₂O₃夹层，成功实现了氧化物纳米膜（如VO₂）的远程外延生长。该夹层不仅耐受溅射损伤和氧化，还能保持基底电势的传递，且易被HF移除。这一方法制备出的4英寸晶圆级自由站立VO2纳米膜，晶体结构近乎单晶，在金属-绝缘体转变（MIT）过程中电阻变化高达4个数量级，物理性能完好。基于此纳米膜制作的多形状（如剥离、弯曲和卷曲）的红外热辐射计，相比多晶VO₂器件，探测率更高且电流噪声更低。此研究成果不仅克服了传统异质外延中晶格失配和化学键合的限制，更为制备各种自由站立异质外延氧化物材料提供了新途径，为未来大规模集成电路和功能器件的发展奠定了重要基础。

在本研究中，小型台式无掩膜直写光刻系统- MicroWriter ML3发挥了不可忽视的关键作用。在 VO₂纳米膜器件的研究中，无论是多形状红外热辐射计的特殊结构，还是其他具有复杂几何形状和功能需求的微纳器件，MicroWriter ML3 都能通过灵活的光刻策略，实现复杂图案的精确光刻。这为研究人员探索新型微纳器件结构、拓展研究边界提供了有力的技术支持。

小型台式无掩膜直写光刻系统- MicroWriter ML3

【图文导读】

图1.利用ALD技术实现VO₂纳米膜的远程外延生长。(a) 密度泛函理论（DFT）计算中，蓝宝石基底上无定形Al₂O₃夹层的原子结构配置。(b) 如（a）中蓝线所示的无定形Al₂O₃夹层顶表面的平面视图电荷密度（ρ）等高线图。(c) 横截面ρ分布等高线图。(d) VO₂纳米膜远程外延生长的工艺示意图：ALD在蓝宝石（0001）基底上形成无定形Al₂O₃夹层，随后通过反应溅射外延生长VO₂纳米膜，最后蚀刻掉夹层以剥离并转移VO₂纳米膜。(e) 生长在蓝宝石基底上的VO₂纳米膜的横截面扫描透射电子显微镜（STEM）图像，标尺为100 nm。(f) VO₂纳米膜与蓝宝石基底界面区域的高角环形暗场（HAADF）-STEM图像，对应（e）中方框区域，标尺为1 nm。插图为VO₂纳米膜和蓝宝石的模拟原子配置，右侧为两者各自的快速傅里叶变换（FFT），标尺为5 nm⁻¹。(g) 转移到聚酰亚胺/聚二甲基硅氧烷（PI/PDMS）上的4英寸外延VO₂纳米膜照片，标尺为2 cm。

图2. VO₂纳米膜的外延取向分析(a) VO₂ (011) 面的X射线衍射（XRD）极图。

(b) VO₂纳米膜与蓝宝石的横截面STEM图像，标尺为5 nm。(c)、(d) 分别对应（b）中红框和蓝框所示VO₂不同畴的高角环形暗场（HAADF）-STEM图像（晶带轴为VO₂ [102] 和 [201]），白色虚框插图（放大原子图像）与模拟一致，标尺为2 nm。(e) VO₂（绿色）与蓝宝石（蓝色）之间外延关系的示意图。(f) 转移到透射电镜（TEM）网格上的VO₂纳米膜STEM图像，标尺为1 μm。(g) VO₂畴的出平面HAADF-STEM图像（红、黄阴影标示），标尺为2 nm，插图为快速傅里叶变换（FFT）图像，箭头方向为VO₂ [100]。(h) 转移后VO₂纳米膜的平面视图选区电子衍射（SAED）图像，显示面内三重对称性，标尺为2 nm⁻¹，出平面方向为VO₂ [010] 晶带轴。

图3.生长及转移后VO₂纳米膜的表征结果。(a)XRD表征曲线。(b) VO₂ (011) 面的XRD扫描结果。(c)VO₂(020)峰附近的倒易空间图，黄色虚线表示块体VO₂值。(d)左图：加热和冷却循环中温度依赖的电阻变化，显示4个数量级的调制幅度。右图：电阻一阶导数，显示金属-绝缘体转变（MIT）温度。(e)沿VO₂纳米膜（约10μm）线扫描获得的拉曼光谱，确认生长及转移后VO₂纳米膜均为单斜相。

图4.多形状VO₂纳米膜热辐射计。(a)剥离的外延VO₂热辐射计，标尺为1 cm。(b)弯曲的外延VO₂热辐射计，标尺为100μm。(c)卷起的外延VO₂热辐射计，微管直径约50 μm，标尺为200 μm。（a-c）上部为器件示意图，下部为实际样品光学图像。(d) 生长状态下外延VO₂和多晶VO₂热辐射计在黑暗环境及室温下的I-V特性，外延VO₂热辐射计显示更高电流响应。插图：VO₂单斜相（M）和金红石相（R）的晶体结构示意图。(e) 生长状态下外延VO₂和多晶VO₂热辐射计的电流噪声随频率变化，外延VO₂热辐射计噪声更低，虚线表示f⁻¹噪声趋势。(f) 不同器件在2 V偏压下随黑体温度变化的探测率。

【结论】

综上所述，相关研究团队通过远程外延技术成功制备了高性能、低成本、可剥离的VO₂纳米膜器件。小型台式无掩膜直写光刻系统- MicroWriter ML3也凭借其灵活的光刻手段、精准的定位能力和对复杂结构的制备优势，在新型纳米器件制备技术的发展中发挥了重要作用。它不仅为 VO₂纳米膜器件的研究提供了坚实的技术保障，更为整个微纳器件研究领域注入了新的活力，推动着相关研究不断迈向新的高度。