研究人员发现了制造智能材料独立膜的新工艺

明尼苏达双城大学领导的科学家和工程师团队开发了一种制造钙钛矿氧化物半导体薄膜的新方法，这是一类具有独特特性的“智能”材料，可以响应光、磁场等刺激而发生变化，或电场。

这一发现将使研究人员能够利用这些特性，甚至将它们与其他新兴的纳米级材料结合起来，制造出更好的设备，如传感器、智能纺织品和柔性电子产品。

该论文发表在 科学促进会 (AAAS) 出版的同行评审科学期刊《科学进展》( Science Advances ) 上。

以薄膜形式生产材料使它们更容易集成到电子设备的更小组件中。许多薄膜是使用一种称为外延的技术制成的，该技术包括将材料的原子放置在基板或各种模板上，以创建薄的材料片，一次一个原子层。然而，大多数通过外延形成的薄膜都“粘”在它们的宿主基板上，限制了它们的使用。如果薄膜从基板上分离出来成为独立的膜，它就会变得更加实用。

明尼苏达大学领导的团队找到了一种新方法，可以成功地制造一种特殊金属氧化物——钛酸锶——的膜，他们的方法规避了过去困扰独立金属氧化物薄膜合成的几个问题。

“我们已经创造了一种工艺，我们可以用几乎任何氧化物材料制作独立的膜，将其剥离，然后将其转移到我们想要的任何感兴趣的主题上，”该论文的资深作者、教授和壳牌公司的 Bharat Jalan 说。明尼苏达大学化学工程与材料科学系主任。“现在，我们可以通过将这些材料与其他纳米级材料相结合，从这些材料的功能中受益，这将实现范围广泛的高功能、高效设备。”

制造“智能”氧化物材料的独立膜具有挑战性，因为原子在所有三个维度上都是键合的，这与二维材料(如石墨烯)不同。在氧化物材料中制造薄膜的一种方法是使用一种称为远程外延的技术，该技术使用一层石墨烯作为基板和薄膜材料之间的中介。

这种方法允许薄膜氧化物材料形成薄膜并像胶带一样从基板上剥离，从而形成独立的膜。然而，将这种方法用于金属氧化物的最大障碍是材料中的氧气会氧化接触的石墨烯，从而破坏样品。

使用由明尼苏达大学 Jalan 实验室首创的混合分子束外延技术，研究人员能够通过使用已经与氧结合的钛来解决这个问题。另外，他们的方法允许自动化学计量控制，这意味着他们可以自动控制成分。

“我们通过多次实验首次证明，我们有一种新方法可以制造复合氧化物，同时确保石墨烯不被氧化。这是合成科学的一个重要里程碑，”Jalan 说。“而且，我们现在有办法通过自动化学计量控制来制造这些复杂的氧化物膜。没有人能够做到这一点。”

Jalan 团队的材料科学家与明尼苏达大学电气与计算机工程系教授 Steven Koester 实验室的工程研究人员密切合作，该实验室专注于制造二维材料。

“这些复合氧化物是一大类材料，它们具有许多非常重要的先天功能，”该研究的资深作者兼明尼苏达双城大学明尼苏达纳米中心主任科斯特说。“现在，我们可以考虑使用它们为电子设备制造极小的晶体管，以及广泛的其他应用，包括柔性传感器、智能纺织品和非易失性存储器。”

该研究由能源部、空军科学研究办公室和国家科学基金会资助。