牛刚、任巍、李璟睿等在氧化物薄膜外延领域取得重要进展

xiajia

信息社会的发展需要物联网和大数据等新兴技术，因此以钛酸钡（BTO）为代表的具有铁电性、压电性、非线性光学和挠曲电特性等多种功能的钙钛矿型氧化物材料受到了广泛关注。“后摩尔”时代，人们需要将BTO等氧化物薄膜与硅衬底集成；此外，生物传感、穿戴式电子器件等新型应用对于柔性衬底上高质量氧化物薄膜的需求日益迫切。但是，无论是在硅衬底上或是柔性衬底上实现外延单晶BTO薄膜都非常困难。硅表面在氧化物薄膜的生长初期极易被氧化，生成的非晶态二氧化硅层妨碍了外延薄膜的实现。柔性衬底的主流是有机聚合物材料，它们通常不耐高温，其熔化温度低于外延单晶BTO薄膜的生长温度。
        远程外延以二维材料石墨烯作为辅助进行薄膜生长，它不但能够提高异质外延薄膜的结晶质量，还能通过石墨烯辅助的机械剥离实现单晶形态的自支撑膜，进而将其转移至硅和柔性聚合物等任意衬底。目前，远程外延的研究主要集中于半导体化合物系统，并且多数是同质外延生长，氧化物薄膜远程外延的研究还较少，对于薄膜生长、结构和性能的理解和掌握都很欠缺。
         西安交通大学研究人员展示了在锗（Ge）衬底上利用石墨烯作为中间层的BTO薄膜的高度异质外延生长。该研究一方面丰富了薄膜外延生长领域的基础理论，另一方面展示了在晶圆级半导体衬底和柔性衬底上集成功能性氧化物薄膜可能性，这对于未来“超越摩尔”和柔性功能器件的实现有重要意义。
         研究工作从理论和实验两方面展示了Ge衬底的表面取向对远程外延的重要影响，并展示了在Ge（011）衬底上远程外延生长的BTO薄膜的结构和功能特性，深入研究了石墨烯对Ge表面的钝化作用。论文阐明了BTO薄膜在石墨烯上的生长动力学、热力学和应变弛豫过程。BTO在远程外延生长初期遵循三维岛状生长模式，并且已经部分弛豫。研究实现了远程外延的单晶BTO薄膜向硅衬底和柔性聚合物衬底的转移。由于自支撑的BTO膜没有衬底的夹持，并且存在大量氧空位，所以具有增强的挠曲电特性，其挠曲电响应因子是传统的钛酸锶衬底上生长的BTO薄膜的响应因子的4倍。

           研究工作2022年5月30日以《锗衬底上挠曲电钛酸钡膜的高度异质外延》（Highly Heterogeneous Epitaxy of Flexoelectric BaTiO3-δMembrane on Ge）为题发表在国际权威期刊《自然通讯》（Nature Communications）上。西安交通大学为论文第一完成单位。论文第一作者为西安交通大学电信学部电子学院博士生代立言。西安交通大学电信学部牛刚教授、任巍教授和李璟睿特聘研究员为论文通讯作者。西安交通大学机械学院蒋庄德院士和赵立波教授是论文共同作者。论文的合作单位还包括中国科学院上海微系统所、中国科学院苏州纳米所、德国莱布尼茨晶体生长研究所、美国加州大学洛杉矶分校、加拿大西蒙菲莎大学等。
           论文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-022-30724-7
          任巍教授和牛刚教授课题组近年来在“后摩尔”时代绿色环保的无铅介电、压（铁）电功能薄膜与集成器件方面取得了系列成果，研究论文已经发表于 ACS Nano、IEEE Electron. Dev. Lett.、ACS Appl. Mater. Interfaces、Sensor Actuat. B 和 J. Mater. Chem. C 等期刊上。


          文章来源：西安交通大学
          牛刚老师的研究以微电子及光电子材料为核心，涉及纳米材料、凝聚态物理、微电子学、半导体器件等，主攻方向是功能性纳米薄膜(氧化物、半导体)研制及“后摩尔”器件的实现。他主持或参与过10个由国家自然基金委、德国研究基金会及法国国家研究署等资助的研究项目。他在Adv. Mater.、ACS NANO、ACS AMI、Sci. Rep.,、PRB、JAP和APL等国际知名期刊上发表论文60余篇，其中第一或通讯作者文章30余篇，被引用600余次。受邀撰写Elsevier出版的英文书籍一章，受高等教育出版社邀请翻译本领域经典著作一本。在欧洲材料研究学会EMRS等国际学术会议做邀请报告8次及口头报告20余次。2012年获得德国亚历山大•凡•洪堡基金会颁发的“洪堡学者”称号及资助。2014年担任国际能源材料及纳米技术EMN会议组委会委员及“后摩尔材料”分会主席。2015年，牛刚老师的研究工作被德国四大科学联合会之一的莱布尼兹协会会刊作为“材料研究重点主题”开辟专版报道。他2016-2017年担任SCI期刊微电子工程Microelectronic Engineering的客座编辑，2017年担任欧洲材料学会大会的科学委员会委员，2017年获得西安交通大学“十大学术新人”，2017年牛刚老师的研究工作被西安日报报道。他是中国电子学会的高级会员、IEEE的会员以及IEEE电子材料EDS分会的科学委员会委员。
        任巍，1984年西安交通大学本科毕业获学士学位，1987年西安交通大学硕士研究生毕业获硕士学位，1992年西安交通大学博士研究生毕业获博士学位。1994年被西安交通大学破格提升为副教授，1997年被破格提升为教授，1998年获得博士生导师资格。先后在在德国莱茵-赫兹研究所(Heinrich - Hertz Institute) 、美国宾夕法尼亚州州立大学(Pennsylvania State University)材料研究所和加拿大皇家军事学院(Royal Military College of Canada)物理系从事介电铁电材料与器件方面的博士后或高访研究。现任国务院学位委员会第六届学科评议组成员、IEEE高级会员、IEEE-UFFC学会铁电委员会(Ferroelectrics Committee)委员、亚洲铁电联盟(Asian Ferroelectrics Association, AFA)执委会委员、中国物理学会电介质物理专业委员会秘书长。