中国粉体网讯 20年前，英国曼彻斯特大学的安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫通过一种简单的方法，将石墨片从高定向热解石墨上剥离，然后将片的两面粘在一种特殊的胶带上，撕开胶带后，石墨片就可以一分为二，如此反复操作，最终得到一个只有一层碳原子的薄片，即石墨烯。
而在最近，香港大学电机与电子工程系褚智勤教授、香港大学机械工程系林原教授、南方科技大学李携曦（Kwai Hei Li）助理教授、北京大学东莞光电研究院王琦教授等使用胶带进行边缘剥离，进而得到超薄多晶金刚石薄膜。
这种方法能够大量制备大面积（2英寸晶圆）、超薄（亚微米厚度）、超平整（表面粗糙度低于纳米）、超柔性（可360°弯曲）的金刚石薄膜。制备的高品质薄膜具有平坦的可加工表面，能够允许进行微纳加工操作，超柔性特点使得能够直接用于弹性应变工程，以及变形传感应用，这是更厚的金刚石薄膜无法实现的。通过系统的实验和理论研究，表明剥离薄膜的品质取决于剥离的角度和膜厚度，而且能够在优化的操作窗口稳健的制备大面积且基本保持完整的金刚石薄膜。这种一步得到金刚石薄膜的方法为大规模制备高品质金刚石薄膜提供路径，有可能加快金刚石材料在电子学、光子学等相关领域的商业化应用。
一步剥离金刚石薄膜图
制备过程
通过微波等离子体化学气相沉积（MPCVD）法在Si基底生长薄层金刚石薄膜。通过控制生长时间，能够获得厚度不同的金刚石薄膜。首先用划线笔在硅片的背面刻画边缘，因此将金刚石-基底的界面暴露。这个暴露的边缘对于剥离完整的大面积金刚石薄膜非常重要。将透明的胶带贴在薄膜的顶部，并且沿着切割边缘拉伸，能够剥离得到厚度1μm的完整2英寸金刚石薄膜。
通过光学成像测试，表明剥离得到的2英寸金刚石薄膜具有优异的光学透光性和结构完整性。而且，对不同厚度（200-800nm）的金刚石薄膜都能进行剥离。与现有30年的工作相比，这项研究首次大规模制备晶圆尺寸的金刚石薄膜。
此外，市售的在Si或者Mo基底上生长的金刚石薄膜同样能够使用这种方法剥离。将胶带在食人鱼溶液（浓硫酸和30%过氧化氢的混合物（7:3））溶解后，单独的金刚石薄膜能够集成到各种载体上，包括GaN、MoS2、柔性PDMS，展示了这种方法具有广泛的应用前景。
金刚石薄膜的特性及应用领域
这种边缘暴露剥离方法简单快速的制备可转移的晶圆尺寸的金刚石薄膜，能够得到超平整和超薄的金刚石薄膜。通过实验得到最好的剥离操作窗口，通过理论计算分析为工业产品的制备提供指导。此外，这个方法能够规模化，能够兼容不同厚度和尺寸。与单晶块体金刚石不同，这种金刚石薄膜具有类似的光学性质（450nm光的折射率为2.36），导热率（1300W m-1 K-1），电阻率（1010Ω）。与其他方法不同，这种方法得到的金刚石薄膜具有优异的平整度（粗糙度<1nm），因此能够用于精细的微制备和纳米制备工艺。金刚石薄膜能够容忍形变（4%的应力），厘米大小的金刚石薄膜具有宏观的弹性应变，在下一代金刚石电子产品（场效应晶体管、p–n结二极管）、光子学器件（拉曼激光器、紫外探测器、金属透镜和超表面的平面光子器件、环形和腔谐振器的光子结构、波导、纳米柱）、力学器件（例如机械悬臂、微机电系统设备）、热学器件（片上散热器）、声学器件（表面声波滤波器、平面声学超材料）和量子技术器件（可扩展和可定制的设备）具有前景。
参考来源：
纳米人公众号
Jing, J., Sun, F., Wang, Z. et al. Scalable production of ultraflat and ultraflexible diamond membrane. Nature 636, 627–634 (2024).
（中国粉体网编辑整理/留白）
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