金剛石是一種卓越的材料，由于其獨特的性能，在各個領域都具有巨大的潛力。然而，盡管在過去幾十年里人們付出了大量努力，但要生產出大量符合要求的超薄金剛石膜以供廣泛使用，仍然頗具挑戰。在此，我們證明了使用膠帶進行邊緣暴露剝離是一種簡單、可擴展且可靠的制備超薄且可轉移的多晶金剛石膜的方法。作者的方法能夠大規模生產大面積（2 英寸晶圓）、超薄（亞微米厚度）、超平坦（亞納米表面粗糙度）和超柔性（可 360° 彎曲）的金剛石膜。這些高質量的薄膜具有平坦的可加工表面，支持標準的微制造技術，并且其超柔性使其能夠直接應用于彈性應變工程和形變傳感領域，而這對于厚膜來說是無法實現的。系統的實驗和理論研究表明，剝離薄膜的質量取決于剝離角度和薄膜厚度，在最佳操作窗口內能夠穩定地制備出基本完好的金剛石膜。這種單步制備方法為大規模生產高品質的金剛石膜開辟了新途徑，有望加速金剛石在電子、光子學及其他相關領域的商業化進程，推動金剛石時代的到來。
Fig 1.
剝離晶圓級金剛石膜a：使用 3M 膠帶從硅生長襯底上剝離金剛石膜的邊緣暴露剝離示意圖。裁剪晶圓邊緣以方便剝離。
b：照片展示了在硅襯底上生長的約 1μm 厚、2 英寸寬的金剛石膜，（i）用劃片筆裁剪，（ii）然后用透明膠帶手工輕松干凈地剝離，（iii）所得的硅襯底無殘留，可重復使用，（iv）。比例尺為 2cm。
c：剝離的 2 英寸大小、1μm 厚金剛石膜的照片（左）和相應的 5 倍和 50 倍放大光學圖像（右）。比例尺：主圖為 500μm，插圖為 50μm。
d：過去三十年報道的可轉移金剛石膜尺寸統計（灰色陰影區域）。請注意，作者的方法原則上可以擴展到 12 英寸的樣品（2021 年報道的市場上在硅片上生長的金剛石的最大尺寸。
Fig 2.
剝離金剛石膜的詳細表征a - c：剝離的 1μm 厚金剛石膜生長面（頂部）和掩埋面（底部）的拉曼光譜（a）、X 射線光電子能譜（b）和 X 射線衍射光譜（c）。
d, e：剝離的 1μm 厚金剛石膜的光學折射率（d）和消光系數（e）。
f：作者的金剛石膜（2 英寸，1μm 厚膜）與標準塊狀單晶金剛石（0.5×0.5×0.3mm，購自 Element Six）在不同方面的比較。請注意，所有表征均在金剛石膜的掩埋面上進行。
g：在硅襯底上生長的 2 英寸金剛石膜上制作的芯片陣列照片。插圖顯示了單個芯片圖案的放大光學圖像（紅色虛線框表示氫終止表面區域）。比例尺：主圖為 2cm，插圖為 1mm。
h：這些芯片陣列在生長面剝離前后的電阻變化。
i：從硅襯底上剝離后的 2 英寸金剛石膜上的芯片陣列照片。比例尺為 2cm。a.u. 為任意單位；FWHM 為半高寬。
Fig 3.
機械剝離金剛石膜的超平坦性a：約 1μm 厚金剛石膜生長面、掩埋面和橫截面的掃描電子顯微鏡圖像。比例尺為 1μm。
b：生長面、掩埋面和在更光滑硅襯底上生長的優化掩埋面的原子力顯微鏡粗糙度輪廓。
c：不同厚度的膜（20μm×20μm 區域）生長面和掩埋面的平均粗糙度（Ra）。
d：獲得光滑金剛石膜的各種策略比較。我們的邊緣暴露剝離方法在所有膜厚度（左）和面積（右）上都產生了最光滑的表面。
e：在剝離的 1μm 厚金剛石膜掩埋面上制作的納米級圖案的掃描電子顯微鏡圖像。比例尺：左、右為 1μm，中間為 10μm。
Fig 4
. 用于可穿戴電子應用的柔性金剛石膜a - c：約 4μm 厚金剛石膜的照片，分別展示了其自支撐狀態（a）、360° 彎曲狀態（b）和纏繞在不同半徑圓柱體上的狀態（c）。
d：金剛石膜在不同拉伸（紅色）和壓縮（藍色）應變下的電阻變化。灰色區域表示變形過程中微裂紋的出現。
e：單晶金剛石納米級樣品和多晶金剛石膜可承受的最大拉伸應變比較。
f, g：在 2 英寸膜上制作并使用透明膠帶剝離的 5×3 金剛石應變傳感器陣列的示意圖（f）和照片（g）。
h：應變傳感器陣列在拉伸（頂部）和彎曲（底部）手臂上的照片。
i：對應于圖 h 中拉伸和彎曲手臂的應變傳感器陣列每個單元的電阻變化。
Fig 5.
影響機械剝離金剛石膜質量的因素a：在剝離力 F 和剝離角度 θ 作用下，從襯底上剝離金剛石膜的示意圖。
b：在不同剝離角度下，從 1cm×1cm 晶圓上剝離的不同厚度膜的微裂紋密度實驗統計。剝離速度設定為 10mm/min。
c：不同剝離角度下剝離的不同厚度膜的裂紋擴展概率計算結果。
d：有限元方法模擬在 30°（左）、60°（中）和 90°（右）剝離角度下，600nm 厚膜的彎曲應力分布。下圖顯示了在強制剝離下，金剛石膜頂部（黑色數字）和底部（紅色數字）不同位置裂紋的相態。當裂紋尖端附近的應力達到臨界水平時（見方法），裂紋開始擴展，有效地將材料從未破裂狀態（相值 0）轉變為完全破裂狀態（相值 1.0）。相場模擬中設定的裂紋初始尺寸為頂部 56nm，底部 1.2nm，相應表面上 95% 的裂紋小于這些尺寸（補充圖 22）。
相關研究工作由香港大學Zhiqin Chu、Yuan Lin/北京大學Qi Wang于2024年聯合在線發表在《Nature》期刊上，Scalable production of ultraflat and ultraflexible diamond membrane，原文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41586-024-08218-x
轉自《石墨烯研究》公眾號
