制造“智能”材料獨立膜的新工藝

明尼蘇達大學雙城分校（University of Minnesota Twin Cities）領導的一個科學家和工程師團隊開發了一種制造鈣鈦礦氧化物半導體薄膜的新方法，鈣鈦礦氧化物半導體是一種“智能”材料，具有獨特的特性，可以對光、磁場或電場等刺激進行反應而產生變化。

這一發現將使研究人員能夠利用這些特性，甚至將它們與其他新興的納米級材料相結合，以制造更好的設備，如傳感器、智能紡織品和柔性電子產品等。

生產薄膜的材料使其更容易集成到電子設備的較小零部件中。許多薄膜是用一種叫做外延的技術制成的，這種技術包括將一種材料的原子放在一個基板上或一塊模板上，一次一個原子層地形成一片薄膜材料。然而，大多數通過外延形成的薄膜都“粘”在其主基板上，限制了其用途。如果將薄膜從基板上分離成獨立膜，則其功能性會變得更強。

明尼蘇達大學領導的團隊找到了一種新的方法，成功地制造出一種特殊金屬氧化物——鈦酸鍶——的薄膜，他們的方法避開了過去困擾獨立金屬氧化物薄膜合成的幾個問題。

明尼蘇達大學化學工程與材料科學系教授Bharat Jalan表示：“我們發明了一種方法，可以用幾乎任何氧化物材料制作一個獨立的膜，并將其剝離，然后將其轉移到我們感興趣的任何物體上。現在，通過將這些材料與其他納米級材料結合，我們可以獲益于這些材料具有的功能，這也能讓我們可以制造具有高功能性、高效率的設備。”

制造“智能”氧化物材料的獨立膜是一項挑戰，因為原子在三維的各個方向上都需鍵合，這和二維材料（如石墨烯）不同。在氧化物材料中制造膜的一種方法是使用稱為遠程外延的技術，該技術使用一層石墨烯作為基板和薄膜材料之間的中間層。

這種方法讓薄膜氧化物材料形成薄膜，并像一條膠帶一樣從基材上剝離，從而形成獨立的膜。然而，使用這種方法處理金屬氧化物的最大障礙是材料中的氧在接觸時會氧化石墨烯，破壞樣品。

利用明尼蘇達大學Jalan實驗室首創的混合分子束外延技術，研究人員能夠通過使用已經與氧鍵合的鈦來解決這個問題。此外，他們的方法也能實現自動化學計量控制，這意味著他們可以自動控制成分。

Jalan表示：“我們通過幾次實驗首次證明，我們的新方法，可以在確保石墨烯不被氧化的同時制造復合氧化物。這是合成科學的一個重大里程碑。而且，我們的方法現在可來制造具有自動化學計量控制的復合氧化物膜。目前沒有人還能夠做到這一點。”

Jalan團隊中的材料科學家與明尼蘇達大學電氣與計算機工程系Steven Koester教授實驗室的工程研究人員密切合作，該實驗室專注于制造2D材料。

“這些復合氧化物是一類廣泛的材料，它們具有許多非常重要的固有功能，”明尼蘇達大學雙城分校明尼蘇達納米中心主任Koester說道。“現在，我們可以考慮使用它們來制造電子設備用的極小型晶體管，以及其他廣泛的應用，包括柔性傳感器、智能紡織品和非易失性存儲器等。”