日前，中國科學技術大學合肥微尺度物質科學國家研究中心王凌飛、吳文彬教授團隊與侯達之教授團隊合作，研發出一種基于鎖相熱成像的自支撐氧化物薄膜結構缺陷高通量檢測方法。相關成果以“High-throughput characterization of local structural imperfections in freestanding oxide membranes by lock-in thermography”為題，發表在《科學通報》（Science Bulletin）上。
自支撐氧化物薄膜是一類在去除襯底后仍能保持單晶特性的功能薄膜材料，兼具柔性、可轉移、易集成等優勢和豐富物理功能，在柔性電子器件、新型傳感器和多功能異質集成器件等方面具有重要應用潛力。此前，王凌飛、吳文彬教授團隊成功研發廣譜高效水溶性犧牲層Sr4Al2O7，實現了厘米級尺寸單晶自支撐氧化物薄膜的高質量制備，為突破自支撐氧化物薄膜結晶性和完整性瓶頸提供了關鍵材料基礎。然而，自支撐氧化物薄膜在剝離、釋放和轉移過程中仍可能產生裂紋、褶皺、鼓包等局部結構缺陷。這些缺陷尺度小、分布隨機，在低倍光學顯微鏡下往往難以快速識別，卻可能顯著影響局部電導、介電常數、應變狀態及器件性能，進而降低大面積器件陣列的均一性和可靠性。因此，發展一種兼具大面積、高效率和高靈敏度的高通量缺陷檢測方法，是推動自支撐氧化物薄膜由材料制備走向器件應用的重要環節。
針對上述問題，研究團隊將鎖相熱成像技術引入自支撐氧化物薄膜的結構缺陷檢測。該方法通過向導電自支撐氧化物薄膜中注入周期性電流，使薄膜產生周期性焦耳熱。當電流經過裂紋、褶皺等結構缺陷附近時，局部電流分布和發熱行為會發生改變，并在紅外熱圖中形成具有辨識度的“熱指紋”。實驗和有限元模擬結果表明，裂紋通常會產生類似“蝴蝶狀”的熱異常信號，而褶皺則表現為條紋狀熱信號。通過聯合分析鎖相熱成像的溫度振幅和相位信息，研究團隊能夠有效區分微裂紋、褶皺和長裂紋等不同類型的結構缺陷，并進一步實現對缺陷幾何參數的定量評估。該方法僅需低倍紅外鏡頭即可覆蓋較大視場，對毫米尺度區域的成像僅需數十秒，大幅提升了自支撐氧化物薄膜缺陷篩查效率。研究團隊在SrRuO3、La2/3Sr1/3MnO3、YBa2Cu3O7等典型導電氧化物自支撐薄膜中驗證了該方法，并通過引入超薄導電覆蓋層將高通量結構缺陷檢測推廣至絕緣性的自支撐氧化物薄膜。
(a)利用鎖相熱成像測量自支撐氧化物薄膜中的微缺陷：周期性電流通過自支撐氧化物薄膜并產生周期性焦耳熱，利用紅外相機記錄表面溫度變化，再通過鎖相分析提取振幅和相位信號。(b)自支撐SrRuO3薄膜的光學顯微圖像。在低倍光學圖像中，高密度褶皺背景會掩蓋大部分微裂紋信號；(c,d)自支撐SrRuO3薄膜的鎖相熱成像振幅和相位圖。與低倍光學顯微圖像對應的鎖相熱成像圖像可以清晰顯示多個裂紋誘導的熱異常。
該工作是團隊在自支撐氧化物薄膜領域的重要后續工作，面向大面積自支撐薄膜從高質量制備走向可靠器件應用的實際需求，發展了一種兼具高效率和高靈敏度的缺陷檢測方法。相關結果為自支撐氧化物薄膜的工藝優化、缺陷篩查和器件陣列質量控制提供了可靠高效的技術路徑，也為柔性氧化物電子學和多功能異質集成器件的發展提供了重要支撐。
中國科學技術大學合肥微尺度物質科學國家研究中心博士研究生王傲、博士后研究員章金鳳以及少年班學院大三本科生閆金翔為本文共同第一作者；王凌飛教授、侯達之教授為本文共同通訊作者。安徽凌光紅外科技有限公司為本工作提供了鎖相熱成像關鍵設備和技術支持。該研究得到國家自然科學基金委、科技部國家重點研發計劃、中國科學院穩定支持基礎研究領域青年團隊計劃等項目的資助。
《半導體量測與檢測設備市場-2026版》
