Двадцать лет назад Андрей Гейм и Константин Новосёлов из Манчестерского университета (Великобритания) использовали простой метод отслоения графитовых листов от высокоориентированного пиролитического графита. Затем они приклеили обе стороны листа к специальной липкой ленте. Разрыв ленты позволял графитовому листу разделиться на две части. Повторение этого процесса в конечном итоге приводило к образованию одноатомного листа углерода, известного как графен.
Недавно профессор Чжицинь Чу с кафедры электротехники и электроники Гонконгского университета, профессор Юань Линь с кафедры машиностроения Гонконгского университета, доцент Квай Хэй Ли из Южного университета науки и технологий и профессор Ци Ван из Дунгуаньского института оптоэлектроники Пекинского университета использовали клейкую ленту для отслоения краев, что привело к получению сверхтонких поликристаллических алмазных плёнок.
Этот метод позволяет осуществлять массовое производство алмазных пленок большой площади (2-дюймовые пластины), ультратонких (субмикронной толщины), ультраплоских (шероховатость поверхности менее нанометров) и ультрагибких (сгибаемых на 360°). Получаемые высококачественные пленки имеют плоскую, пригодную для обработки поверхность, что позволяет осуществлять микро- и нанотехнологии. Их ультрагибкие свойства позволяют использовать их непосредственно в области упругой деформации и измерения деформаций, чего невозможно достичь с более толстыми алмазными пленками. Систематические экспериментальные и теоретические исследования показывают, что качество отслоенных пленок зависит от угла отслоения и толщины пленки, и что большие, практически целые алмазные пленки могут быть надежно получены в оптимизированном рабочем диапазоне. Этот одностадийный метод получения алмазных пленок открывает путь к крупномасштабному производству высококачественных алмазных пленок, потенциально ускоряя коммерциализацию алмазных материалов в электронике, фотонике и других смежных областях.
Процесс подготовки
Тонкие алмазные пленки выращиваются на кремниевой подложке методом микроволнового плазмохимического осаждения из газовой фазы (MPCVD). Алмазные пленки различной толщины могут быть получены путем управления временем роста. Сначала на обратной стороне кремниевой пластины с помощью скрайбера царапается край, обнажая границу раздела алмаз-подложка. Этот открытый край имеет решающее значение для отслоения больших, неповрежденных алмазных пленок. Наклеив прозрачную ленту на верхнюю часть пленки и растянув ее вдоль срезанного края, можно отслоить целую 2-дюймовую алмазную пленку толщиной 1 мкм. Тесты оптической визуализации показали, что полученная 2-дюймовая алмазная пленка обладает превосходной оптической прозрачностью и структурной целостностью. Кроме того, можно отслоить алмазные пленки различной толщины (200–800 нм). По сравнению с существующими работами 30-летней давности, данное исследование представляет собой первое крупномасштабное производство алмазных пленок в масштабе пластины.
Кроме того, коммерчески доступные алмазные пленки, выращенные на подложках из Si или Mo, также могут быть отслоены с помощью этого метода. После растворения ленты в растворе пираньи (смесь концентрированной серной кислоты и 30% перекиси водорода (7:3)) изолированная алмазная пленка может быть интегрирована на различные подложки, включая GaN, MoS2 и гибкий PDMS, что демонстрирует широкий спектр применения данного метода.
Свойства и применение алмазных пленок
Этот метод эксфолиации с краевым эксфолиированием позволяет быстро и просто получать переносимые алмазные пленки в масштабе пластины, в результате чего получаются ультраплоские и ультратонкие алмазные пленки. Экспериментальные результаты указывают на оптимальное окно эксфолиации, а теоретический анализ служит руководством для производства промышленных изделий. Кроме того, этот метод масштабируем и совместим с различными толщинами и размерами. В отличие от монокристаллического массивного алмаза, эта алмазная пленка обладает аналогичными оптическими свойствами (показатель преломления 2,36 при 450 нм), теплопроводностью (1300 Вт м⁻¹ К⁻¹) и удельным сопротивлением (10⁻¹ Ом). В отличие от других методов, получаемая алмазная пленка обладает превосходной плоскостностью (шероховатость <1 нм), что делает ее пригодной для деликатных микро- и нанотехнологий. Алмазная пленка устойчива к деформациям (до 4%), а сантиметровые алмазные пленки демонстрируют макроскопическую упругую деформацию. Это открывает перспективы для алмазной электроники следующего поколения (полевые транзисторы, p–n-переходные диоды), фотонных устройств (рамановские лазеры, УФ-детекторы, металлические линзы и планарные фотонные устройства на основе метаповерхностей, фотонные структуры с кольцевыми и объемными резонаторами, волноводы, наностолбики), механических устройств (например, механические кантилеверы, микроэлектромеханические системы), тепловых устройств (внутрикристальные радиаторы), акустических устройств (фильтры поверхностных акустических волн, планарные акустические метаматериалы) и устройств квантовой технологии (масштабируемые и настраиваемые устройства).
