金剛石是一種卓越的材料，由于其獨特的性能，在各個領(lǐng)域都具有巨大的潛力。然而，盡管在過去幾十年里人們付出了大量努力，但要生產(chǎn)出大量符合要求的超薄金剛石膜以供廣泛使用，仍然頗具挑戰(zhàn)。在此，我們證明了使用膠帶進行邊緣暴露剝離是一種簡單、可擴展且可靠的制備超薄且可轉(zhuǎn)移的多晶金剛石膜的方法。作者的方法能夠大規(guī)模生產(chǎn)大面積（2 英寸晶圓）、超薄（亞微米厚度）、超平坦（亞納米表面粗糙度）和超柔性（可 360° 彎曲）的金剛石膜。這些高質(zhì)量的薄膜具有平坦的可加工表面，支持標(biāo)準(zhǔn)的微制造技術(shù)，并且其超柔性使其能夠直接應(yīng)用于彈性應(yīng)變工程和形變傳感領(lǐng)域，而這對于厚膜來說是無法實現(xiàn)的。系統(tǒng)的實驗和理論研究表明，剝離薄膜的質(zhì)量取決于剝離角度和薄膜厚度，在最佳操作窗口內(nèi)能夠穩(wěn)定地制備出基本完好的金剛石膜。這種單步制備方法為大規(guī)模生產(chǎn)高品質(zhì)的金剛石膜開辟了新途徑，有望加速金剛石在電子、光子學(xué)及其他相關(guān)領(lǐng)域的商業(yè)化進程，推動金剛石時代的到來。
Fig 1.
剝離晶圓級金剛石膜a：使用 3M 膠帶從硅生長襯底上剝離金剛石膜的邊緣暴露剝離示意圖。裁剪晶圓邊緣以方便剝離。
b：照片展示了在硅襯底上生長的約 1μm 厚、2 英寸寬的金剛石膜，（i）用劃片筆裁剪，（ii）然后用透明膠帶手工輕松干凈地剝離，（iii）所得的硅襯底無殘留，可重復(fù)使用，（iv）。比例尺為 2cm。
c：剝離的 2 英寸大小、1μm 厚金剛石膜的照片（左）和相應(yīng)的 5 倍和 50 倍放大光學(xué)圖像（右）。比例尺：主圖為 500μm，插圖為 50μm。
d：過去三十年報道的可轉(zhuǎn)移金剛石膜尺寸統(tǒng)計（灰色陰影區(qū)域）。請注意，作者的方法原則上可以擴展到 12 英寸的樣品（2021 年報道的市場上在硅片上生長的金剛石的最大尺寸。
Fig 2.
剝離金剛石膜的詳細(xì)表征a - c：剝離的 1μm 厚金剛石膜生長面（頂部）和掩埋面（底部）的拉曼光譜（a）、X 射線光電子能譜（b）和 X 射線衍射光譜（c）。
d, e：剝離的 1μm 厚金剛石膜的光學(xué)折射率（d）和消光系數(shù)（e）。
f：作者的金剛石膜（2 英寸，1μm 厚膜）與標(biāo)準(zhǔn)塊狀單晶金剛石（0.5×0.5×0.3mm，購自 Element Six）在不同方面的比較。請注意，所有表征均在金剛石膜的掩埋面上進行。
g：在硅襯底上生長的 2 英寸金剛石膜上制作的芯片陣列照片。插圖顯示了單個芯片圖案的放大光學(xué)圖像（紅色虛線框表示氫終止表面區(qū)域）。比例尺：主圖為 2cm，插圖為 1mm。
h：這些芯片陣列在生長面剝離前后的電阻變化。
i：從硅襯底上剝離后的 2 英寸金剛石膜上的芯片陣列照片。比例尺為 2cm。a.u. 為任意單位；FWHM 為半高寬。
Fig 3.
機械剝離金剛石膜的超平坦性a：約 1μm 厚金剛石膜生長面、掩埋面和橫截面的掃描電子顯微鏡圖像。比例尺為 1μm。
b：生長面、掩埋面和在更光滑硅襯底上生長的優(yōu)化掩埋面的原子力顯微鏡粗糙度輪廓。
c：不同厚度的膜（20μm×20μm 區(qū)域）生長面和掩埋面的平均粗糙度（Ra）。
d：獲得光滑金剛石膜的各種策略比較。我們的邊緣暴露剝離方法在所有膜厚度（左）和面積（右）上都產(chǎn)生了最光滑的表面。
e：在剝離的 1μm 厚金剛石膜掩埋面上制作的納米級圖案的掃描電子顯微鏡圖像。比例尺：左、右為 1μm，中間為 10μm。
Fig 4
. 用于可穿戴電子應(yīng)用的柔性金剛石膜a - c：約 4μm 厚金剛石膜的照片，分別展示了其自支撐狀態(tài)（a）、360° 彎曲狀態(tài)（b）和纏繞在不同半徑圓柱體上的狀態(tài)（c）。
d：金剛石膜在不同拉伸（紅色）和壓縮（藍(lán)色）應(yīng)變下的電阻變化。灰色區(qū)域表示變形過程中微裂紋的出現(xiàn)。
e：單晶金剛石納米級樣品和多晶金剛石膜可承受的最大拉伸應(yīng)變比較。
f, g：在 2 英寸膜上制作并使用透明膠帶剝離的 5×3 金剛石應(yīng)變傳感器陣列的示意圖（f）和照片（g）。
h：應(yīng)變傳感器陣列在拉伸（頂部）和彎曲（底部）手臂上的照片。
i：對應(yīng)于圖 h 中拉伸和彎曲手臂的應(yīng)變傳感器陣列每個單元的電阻變化。
Fig 5.
影響機械剝離金剛石膜質(zhì)量的因素a：在剝離力 F 和剝離角度 θ 作用下，從襯底上剝離金剛石膜的示意圖。
b：在不同剝離角度下，從 1cm×1cm 晶圓上剝離的不同厚度膜的微裂紋密度實驗統(tǒng)計。剝離速度設(shè)定為 10mm/min。
c：不同剝離角度下剝離的不同厚度膜的裂紋擴展概率計算結(jié)果。
d：有限元方法模擬在 30°（左）、60°（中）和 90°（右）剝離角度下，600nm 厚膜的彎曲應(yīng)力分布。下圖顯示了在強制剝離下，金剛石膜頂部（黑色數(shù)字）和底部（紅色數(shù)字）不同位置裂紋的相態(tài)。當(dāng)裂紋尖端附近的應(yīng)力達(dá)到臨界水平時（見方法），裂紋開始擴展，有效地將材料從未破裂狀態(tài)（相值 0）轉(zhuǎn)變?yōu)橥耆屏褷顟B(tài)（相值 1.0）。相場模擬中設(shè)定的裂紋初始尺寸為頂部 56nm，底部 1.2nm，相應(yīng)表面上 95% 的裂紋小于這些尺寸（補充圖 22）。
相關(guān)研究工作由香港大學(xué)Zhiqin Chu、Yuan Lin/北京大學(xué)Qi Wang于2024年聯(lián)合在線發(fā)表在《Nature》期刊上，Scalable production of ultraflat and ultraflexible diamond membrane，原文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41586-024-08218-x
轉(zhuǎn)自《石墨烯研究》公眾號
