香港大学联合北大东莞研究院，最新Nature！

金刚石（Diamond）具有优异的载流子迁移率、导热性、介电击穿强度、超宽的带隙等优点，是电子和光子应用的优异材料。因此，通过高压、高温和化学气相沉积（CVD）技术大规模生产的人造钻石（单晶和多晶类型）在各种电学、光学、热学和声学应用中得到了广泛的探索。

（1）由于无法获得大面积、分层的、与硅（Si）基半导体技术完全兼容的这种材料，它们的广泛应用仍然受到阻碍。具有优异可控性和异质集成潜力的高质量、晶圆级超薄金刚石膜的发展，将为下一代电子和光子器件带来新的机遇。

（2）通过切割大块金刚石或在异质基底上通过CVD生长获得超薄金刚石。切片可以产生高质量的单晶金刚石（SCD），但由于所获得的膜的尺寸和表面粗糙度受到激光和聚焦离子束处理的限制，无法扩展到工业应用。

（3）异质生长产生具有良好控制厚度的晶圆级膜，但金刚石和硅（Si）生长基底之间的晶格不匹配往往会形成一种多晶金刚石，膜表面变得粗糙，使其与微/纳米加工、异质集成和散热管理不相容。虽然机械和化学抛光可以有效地磨平厚而粗糙的膜，但将膜与生长衬底分离仍然需要复杂的工艺。

基于此， 香港大学褚智勤教授和林原教授、南方科技大学李携曦助理教授、北京大学东莞光电研究院王琦教授（共同通讯作者）等人 报道了使用胶带的边缘暴露剥离是一种简单、可扩展和可靠的方法，用于生产超薄和可转移的多晶金刚石膜。该方法能够大规模生产大面积（2英寸晶圆）、超薄（亚微米厚度）、超平（亚纳米表面粗糙度）和超柔性（360°可弯曲）金刚石膜。

这些高质量的膜具有平坦的工作表面，支持标准的微制造技术，其超柔性特性允许直接的弹性应变工程和变形传感应用，这是同类产品所不可能实现的。扫描电镜（SEM）和原子力显微镜（AFM）图像显示，剥离膜的底表面足够光滑（Ra<1 nm），克服了精确微加工/纳米加工的瓶颈。作者进一步将膜转移到柔性聚二甲基硅氧烷（PDMS）基底上，并将其作为柔性金刚石应变传感器的原型进行了演示，该传感器可以在2%的应变下承受超过10000次变形循环。这种单步法为大规模生产高品质金刚石膜开辟了新的途径，有望加速电子、光子学和其他相关领域的商业化和金刚石时代的到来。

作者使用微波等离子体CVD在Si基底上生长金刚石薄膜，通过控制生长时间，可以得到不同厚度的膜。首先，在Si片背面用划笔裁剪晶圆边缘，露出金刚石-衬底界面。接着，通过在膜表面顶部粘贴透明胶带并沿着裁剪的边缘拉伸，从生长基质上剥离了1 μm厚、2英寸宽的完整金刚石膜。从5倍和50倍的光学图像可看出，剥离的2英寸膜具有优异的光学透明度和结构完整性。本研究首次实现了晶圆级可转移金刚石膜的大规模生产，原则上该方法可以扩展到在Si基底上生长的最大尺寸的商用金刚石膜，即12英寸金刚石晶圆。

图1.剥离晶圆级金刚石膜

图2.剥离金刚石膜的详细表征

大约1 μm厚的膜的高倍扫描电镜图像显示，生长的表面含有堆积的颗粒（数百纳米大小），但埋膜的表面完全光滑。AFM测量证实，1 μm厚膜的生长表面（Ra=36.203 nm）比埋膜表面（Ra=0.952 nm）更粗糙。与生长表面粗糙度随膜厚增加而增加不同，埋膜表面粗糙度最初随膜厚下降，直到膜厚大于约600 nm时达到恒定水平。对比压平金刚石膜的策略，边缘暴露剥离方法获得的最平坦的表面（粗糙度<1 nm），且是唯一可以剥离数百纳米到数十微米厚的膜的方法。

图3.机械剥离金刚石膜的超平面性

一个4 μm厚的样品可以360°弯曲，并包裹在半径从10 mm到2 mm不等的不同尺寸的圆柱体上。将1 μm厚的薄膜附着在柔性PDMS衬底上，并表征了薄膜在交替压缩和拉伸应变下的电导率。开始时，为避免断裂，压缩应变较低（3.42%），随后拉伸应变范围较大。裂纹区域阻力的增加和不稳定性，表明微裂纹的形成和扩展。根据PDMS的计算变形，样品可以承受的最大拉伸应变约为4.08%。另外五个样品的测试表明，最大应变发生在3-5%，低于SCD纳米柱和微桥样品分别达到的9.0%和9.7%。

值得注意的是，薄膜还可在2%的应变下承受超过10000次的变形循环而不会损坏。作为概念验证，作者在2英寸硅晶片上生长的1 μm厚的金刚石膜上构建了柔性的5×3应变传感器阵列。金电极沉积在膜上，通过去除无保护的端氢区域，将传感器单元电隔离。当连接到手臂上时，传感器阵列检测肌肉变形的变化，以响应手臂的拉伸和弯曲，表明剥离膜是功能性的，具有实用价值。

图4.柔性金刚石膜用于可穿戴电子器件

图5.影响机械剥离金刚石膜质量的因素

Scalable production of ultraflat and ultraflexible diamond membrane. 2024, Nature, https://doi.org/10.1038/s41586-024-08218-x.

褚智勤教授，2018年11月开始任职于香港大学工程学院电机与电子工程学系。曾在物理学、生物医学，材料科学、光子学和生物学交叉研究领域发表多篇高影响力论文，包括Nat. Commun., Nano Lett., Adv. Sci., JACS等国际期刊。要的研究方向包括量子传感与探测，生物物理，生物力学和生物光子学的相关研究。