[发明专利]一种远程外延生长可转移钛酸钡单晶薄膜的方法

说明书

本发明公开了一种远程外延生长可转移钛酸钡单晶薄膜的方法，属于单晶薄膜外延制备技术领域。选择晶格常数与待制备薄膜相近的单晶衬底，在衬底表面覆盖一层石墨烯，使用脉冲激光沉积法在覆盖有石墨烯的衬底上生长钛酸钡薄膜，将生长得到的薄膜进行Cr金属应力层的生长，使薄膜能够剥离转移。利用远程外延原理，使衬底透过石墨烯对薄膜结晶和取向进行控制，获得单晶外延的薄膜，另外由于石墨烯微弱的范德华力，生长得到的单晶外延薄膜可以简便地转移到任意衬底。

【技术领域】

本发明属于单晶薄膜外延制备技术领域，尤其是一种远程外延生长可转移钛酸钡单晶薄膜的方法。

【背景技术】

钛酸钡是一种典型的功能性钙钛矿氧化物材料，它具有良好的介电、压电、铁电等性能，从而被广泛的应用于信息存储、传感探测等领域，且其压(铁)电性往往在其单晶形态中更为优异。随着“大数据”和“物联网”时代的到来，一方面人们需要将以钛酸钡为代表的功能性氧化物与半导体衬底(如硅和锗)集成；另一方面，多种新型的应用，例如生物传感、穿戴式电子器件等，使得人们对柔性衬底上的高质量氧化物薄膜的需求日益迫切。在半导体衬底上生长钛酸钡薄膜时，由于半导体表面极易被氧化、形成非晶态的表面层，从而容易导致多晶态的氧化物薄膜，要获得单晶外延的钛酸钡需要利用成本高昂的超高真空设备并进行工艺复杂的表面钝化过程；而对于在柔性衬底上实现以钛酸钡为代表的功能氧化物薄膜，一个巨大的困难在于，生长晶态氧化物薄膜的温度通常都高于柔性衬底的融化温度。

现有的解决方案是使用氧化物衬底上生长一层牺牲层，在其上继续生长钛酸钡薄膜，而后通过腐蚀牺牲层实现对钛酸钡薄膜向其他衬底的转移。但是该方法生长的钛酸钡薄膜过程复杂，而且腐蚀过程还有可能影响氧化物薄膜的性能。

因此，发展一种新的可向任意衬底转移的钛酸钡单晶薄膜的制备方法势在必行。

【发明内容】

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种远程外延生长可转移钛酸钡单晶薄膜的方法。可利用金属应力层和胶带简便地将石墨烯之上的单晶外延钛酸钡薄膜转移到任意衬底。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

一种远程外延生长可转移钛酸钡单晶薄膜的方法，包括以下步骤：

步骤1，选择晶格常数与待制备薄膜相近的单晶衬底；

步骤2，在衬底表面覆盖一层石墨烯；

步骤3，使用脉冲激光沉积法在覆盖有石墨烯的衬底上生长钛酸钡薄膜；

步骤4，将生长得到的薄膜进行Cr金属应力层的生长，使薄膜能够剥离转移。

本发明进一步的改进在于：

步骤1中的单晶衬底为钙钛矿氧化物单晶衬底。

步骤1中的单晶衬底为(011)取向的Ge或(001)取向的SrTiO₃中的一种。

若单晶衬底为(011)取向的Ge，则步骤3中生长钛酸钡薄膜的生长氧分压为3×10^-4Pa以下；若单晶衬底为(001)取向的SrTiO₃，则步骤3中生长钛酸钡薄膜的生长氧分压为1-20Pa。

所述石墨烯为单层连续石墨烯。

步骤2中覆盖石墨烯的方法为直接生长或铜上生长然后转移。

步骤3具体为：

将经步骤2处理的衬底和将要生长的钛酸钡靶材装入脉冲激光沉积生长腔中，抽真空，去除薄膜表面吸附的污染物，控制温度并通入氧气，以调整腔室中的氧分压，控制氧分压在20Pa以下，打开脉冲激光器进行薄膜生长，结束生长后向腔内通入空气，取出样品。