Matter | 脉冲激光转移实现二维液态金属氧化物薄膜的规模制备

以下文章来源于液态金属FM ，作者Jin & OpenAI

在下一代半导体中，二维金属氧化物因其独特的电学性质而受到广泛关注。其中，镓基液态金属是制备金属氧化物薄膜的理想材料，但将其集成到电子器件中仍然存在挑战。最近，普渡大学Gary J. Cheng团队报道了一种“限域激光转移印刷（CLTP）”技术，用于大规模制备表面均匀的镓基氧化物薄膜。该技术利用脉冲激光诱导产生的高温和反冲压力，将液态金属纳米颗粒烧结和氧化，并通过强范德华力将氧化物纳米层转移到蓝宝石基底。此外，随着激光能量的升高，氧化膜的厚度也随之增加（~3-25 nm），从而实现对氧化膜形貌和电学性能的调控。作者还展示了CLTP技术在制备其它金属氧化物薄膜图案（如HfO2、Gd2O3）方面的可行性和普适性。相关工作以“Pulsed laser-enabled liquid-solid transfer for scalable printing of two-dimensional metal oxide thin film”为题发表在《Matter》上。

图1. 二维液态金属氧化物薄膜制备示意图（A）通过限域激光转移印刷（CLTP）技术制备氧化镓薄膜的过程示意图。（A-1）CLTP技术制备的二维薄膜图案。（A-2）激光处理后基底上相邻液态金属颗粒连接。（B）当激光能量低于CLTP的临界值时，液态金属纳米粒子仅部分破裂，没有产生高压。（C）当激光能量高于CLTP的临界值时，液态金属氧化层爆炸，产生反冲压力。（D）当激光能量远高于临界值时，更多液态金属纳米颗粒烧结，反冲压力随之增大。（E）当激光能量低于CLTP的临界值时，不能将氧化镓薄膜转移至蓝宝石层。（F）当激光能量高于CLTP的临界值时，薄氧化镓膜被转移到蓝宝石层上。（G）当激光能量远高于临界值时，可形成更厚的氧化镓薄膜。

图2. CLTP制备的不同种类氧化物薄膜的表征（A）氧化镓薄膜的表面形态。（B）氧化镓薄膜的TEM表征。（C）氧化镓薄膜的HRTEM图像。（D）XPS分析显示Ga 2P的能量峰值。（E）氧化铪薄膜的表面形态。（F）氧化铪薄膜的TEM表征。（G）氧化铪薄膜的HRTEM图像。（H）XPS分析显示Hf 4f的能量峰值。（I）氧化钆薄膜的表面形态。（J）氧化钆薄膜的TEM表征。（K）氧化钆薄膜的HRTEM图像。（L）XPS分析显示Gd 3d的能量峰值。

图3. 激光诱导的高温高压（A）基于分子动力学模拟对激光能量与温度和压力关系的探究。（B）激光诱导的压力和温度之间的关系。（C）氧化镓的理论和实验厚度变化。（D）转移氧化镓的拉曼位移。

图4. 氧化镓薄膜图案的光电性能表征（A）薄膜的电流-电压曲线。（B）随激光能量密度的增加，电阻随之变大。（C）不同激光能量密度下氧化镓薄膜的带隙。（D）不同激光能量产生的氧化镓薄膜的透射曲线。

文章信息：

An L, de Camargo Branco D, Liu X, et al. Pulsed laser-enabled liquid-solid transfer for scalable printing of two-dimensional metal oxide thin film[J]. Matter, 2023. https://doi.org/10.1016/j.matt.2023.01.021

转自：“i学术i科研”微信公众号

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