一种高性能水溶性牺牲材料及其制备方法与应用

本发明涉及水溶性牺牲材料，具体涉及的是一种高性能水溶性牺牲材料及其制备方法与应用。

背景技术：

1、氧化物薄膜具有诸多令人着迷的性质，如铁磁、铁电和超导等性质，但其应用和对其本征性质的研究却有时受制于衬底的钳制。现有技术中使用技术手段将氧化物薄膜从衬底上剥离，可以消除界面和应力对氧化物薄膜的影响，并且在脱离衬底的束缚之后，薄膜还可以进一步进行转移，这给氧化物薄膜的应用带来了极大的便利。

2、近年来，利用水溶性牺牲材料剥离氧化物薄膜的技术发展迅速，主要用到的水溶性牺牲材料是(ca,sr,ba)3al2o6体系。使用这种材料制备的自支撑薄膜虽然具有较好的完整性和表面平整度，但其结晶度远比不上一些传统的范德华材料如石墨烯，剥离过程中由于应力释放和人为操作在自支撑薄膜上形成的裂纹也严重限制了对其的进一步应用。研究者们不断优化薄膜的生长条件、改善薄膜的剥离和转移技术，但得到的结果仍难以让人十分满意。为了达到获取优质自支撑薄膜的目的，合适的水溶性牺牲层对高质量双层/多层膜(牺牲层和目标薄膜)的生长是极其重要的。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题在于如何提高水溶性牺牲材料的性能和适应性。

2、本发明通过以下技术手段实现解决上述技术问题的：

3、本发明第一方面提供了一种高性能水溶性牺牲材料，所述水溶性牺牲材料化学式为a2b2al2o7或m4al2o7；其中a为ca、ba中的一种；b为sr；m为ca、sr、ba中的一种。

4、有益效果：本发明是(ca,sr,ba)4al2o7体系的水溶性牺牲材料，在制备自支撑薄膜具有很好的普适性；本发明的水溶性牺牲层具有较高的结晶度、表面平整，为后续目标薄膜的高质量生长提供了优异的平台；本发明的水溶性牺牲材料能够在许多衬底上高质量外延生长，因此获得高结晶度和高完整性的自支撑薄膜。

5、优选的，所述水溶性牺牲材料晶格常数的范围在

6、有益效果：本发明通过控制水溶性牺牲材料中ca，sr，ba的比例，使得水溶性牺牲材料的晶格常数在可调，通过调控水溶性牺牲材料的晶格常数来减小应力，减少自支撑薄膜剥离和转移中产生的褶皱和裂纹，因此在制备自支撑薄膜在氧化物领域具有很好的普适性。

7、本发明第二方面提供了上述水溶性牺牲材料的制备方法，制备方法有三种分别是采用脉冲激光沉积法或分子束外延方法或磁控溅射方法制备高性能水溶性牺牲材料。

8、优选的，采用脉冲激光沉积法和磁控溅射方法时，在制备ca4al2o7原料为caco3，al2o3，摩尔比为4:1；制备ca2sr2al2o7原料为caco3，srco3，al2o3，摩尔比为2:2:1；制备sr4al2o7原料为srco3，al2o3，摩尔比为4:1；制备ba2sr2al2o7原料为baco3，srco3，al2o3，摩尔比为2:2:1。

9、优选的，采用脉冲激光沉积法和磁控溅射方法时，首先将原料按照摩尔比进行配料、混料、研磨、预煅烧，压制成型，并烧结，得到陶瓷靶材。

10、优选的，采用脉冲激光沉积法和磁控溅射方法时，所述预煅烧温度为900～1300℃，保温6～12h，烧结温度为1300～1500℃，保温12～24h。

11、优选的，采用脉冲激光沉积法时，使用krf气体激光器轰击陶瓷靶材，在单晶衬底表面沉积水溶性牺牲材料。

12、优选的，采用脉冲激光沉积法时，所述沉积过程中单晶衬底温度为600～800℃，氧压为10-5pa～30pa。

13、优选的，所述激光的频率为1～8hz，激光能量密度为0.8～4.2j/cm2。

14、优选的，采用磁控溅射方法时，在电场作用下，高能量粒子轰击陶瓷靶材表面，溅射出镀层粒子并在单晶衬底表面沉积水溶性牺牲材料。

15、优选的，采用磁控溅射方法时，所述沉积时腔内氩气压强为1～10pa，溅射功率为10～60w。

16、优选的，采用磁控溅射方法时，将制备的水溶性牺牲材料进行后退火处理，所述后退火温度为600～1000℃。

17、优选的，采用分子束外延方法时，制备ca4al2o7控制ca，al的通量比为2:1；制备ca2sr2al2o7控制ca，sr，al的通量比为1:1:1；制备sr4al2o7控制sr，al的通量比为2:1；制备ba2sr2al2o7控制ba，sr，al的通量比为1:1:1；制备ba4al2o7控制ba，al的通量比为2:1；在单晶衬底上生长水溶性牺牲材料。

18、优选的，采用分子束外延方法时，所述沉积过程中单晶衬底温度为600～800℃，氧压为10-5pa～10pa。

19、优选的，所述单晶衬底为铝酸镧(laalo3)，镓酸钕(ndgao3)，钛酸锶(srtio3)，铝酸锶钽镧[(laalo3)0.3-(sral0.5ta0.5o3)0.7]，钪酸镝(dysco3)，钽酸钾(ktao3)，铝酸锶镧(lasralo4)，镓酸锶镧(lasrgao4)中的一种。

20、有益效果：本发明制备的高性能水溶性牺牲材料比(ca,sr,ba)3al2o6体系水溶速度更快，并且本发明制备的高性能水溶性牺牲材料使用去离子水溶解，溶解过程不会腐蚀损害目标薄膜和衬底，不会引入其他杂质，因此用于制备的自支撑薄膜更加完整、洁净，剥离后的衬底可以多次使用。

21、本发明制备的水溶性牺牲材料体系通过控制ca/sr/ba比例调节材料的晶格常数，进而可以适配更多的单晶衬底与目标薄膜。

22、本发明第三方面提供了上述高性能水溶性牺牲材料或上述制备方法制得高性能水溶性牺牲材料在制备自支撑薄膜材料中的应用。

23、本发明的优点在于：

24、本发明是(ca,sr,ba)4al2o7体系的水溶性牺牲材料，在制备自支撑薄膜具有很好的普适性；本发明的水溶性牺牲层具有较高的结晶度、表面平整，为后续目标薄膜的高质量生长提供了优异的平台；本发明的水溶性牺牲材料能够在许多衬底上高质量外延生长，因此获得高结晶度和高完整性的自支撑薄膜。

25、本发明通过控制水溶性牺牲材料中ca，sr，ba的比例，使得水溶性牺牲材料的晶格常数在可调，通过调控水溶性牺牲材料的晶格常数来减小应力，减少自支撑薄膜剥离和转移中产生的褶皱和裂纹，因此在制备自支撑薄膜在氧化物领域具有很好的普适性。

26、本发明制备的高性能水溶性牺牲材料比(ca,sr,ba)3al2o6体系水溶速度更快，并且本发明制备的高性能水溶性牺牲材料使用去离子水溶解，溶解过程不会腐蚀损害目标薄膜和衬底，不会引入其他杂质，因此用于制备的自支撑薄膜更加完整、洁净，剥离后的衬底可以多次使用。

27、本发明制备的水溶性牺牲材料体系通过控制ca/sr/ba比例调节材料的晶格常数，进而可以适配更多的单晶衬底与目标薄膜。

技术特征：

1.一种高性能水溶性牺牲材料，其特征在于，所述水溶性牺牲材料化学式为a2b2al2o7或m4al2o7；其中a为ca、ba中的一种；b为sr；m为ca、sr、ba中的一种。

2.根据权利要求1所述的高性能水溶性牺牲材料，其特征在于，所述水溶性牺牲材料晶格常数的范围在

3.如权利要求1或2所述的高性能水溶性牺牲材料的制备方法，其特征在于，采用脉冲激光沉积法或分子束外延方法或磁控溅射方法制备高性能水溶性牺牲材料。

4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，采用脉冲激光沉积法或磁控溅射方法时，制备ca4al2o7原料为caco3，al2o3，摩尔比为4:1；制备ca2sr2al2o7原料为caco3，srco3，al2o3，摩尔比为2:2:1；制备sr4al2o7原料为srco3，al2o3，摩尔比为4:1；制备ba2sr2al2o原料为baco3，srco3，al2o3，摩尔比为2:2:1。

5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，采用脉冲激光沉积法或磁控溅射方法时，首先将原料按照摩尔比进行配料、混料、研磨、预煅烧，压制成型，并烧结，得到陶瓷靶材。

6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，采用脉冲激光沉积法时，使用krf气体激光器轰击陶瓷靶材，在单晶衬底表面沉积水溶性牺牲材料。

7.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，采用磁控溅射方法时，在电场作用下，高能量粒子轰击陶瓷靶材表面，溅射出镀层粒子并在单晶衬底表面沉积形成水溶性牺牲材料。

8.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，采用分子束外延方法时，制备ca4al2o7控制ca，al的通量比为2:1；制备ca2sr2al2o7控制ca，sr，al的通量比为1:1:1；制备sr4al2o7控制sr，al的通量比为2:1；制备ba2sr2al2o7控制ba，sr，al的通量比为1:1:1；制备ba4al2o7控制ba，al的通量比为2:1；在单晶衬底中生长水溶性牺牲材料。

9.根据权利要求6-8任一项所述的制备方法，其特征在于，所述单晶衬底为铝酸镧，镓酸钕，钛酸锶，铝酸锶钽镧，钪酸镝，钽酸钾，铝酸锶镧，镓酸锶镧中的一种。

10.如权利要求1或2所述的高性能水溶性牺牲材料或3-9任一项所述的制备方法制得高性能水溶性牺牲材料在制备自支撑薄膜材料中的应用。

技术总结
本发明提供了一种高性能水溶性牺牲材料及其制备方法与应用，所述水溶性牺牲材料化学式为A<subgt;2</subgt;B<subgt;2</subgt;Al<subgt;2</subgt;O<subgt;7</subgt;或M<subgt;4</subgt;Al<subgt;2</subgt;O<subgt;7</subgt;；其中A为Ca、Ba中的一种；B为Sr；M为Ca、Sr、Ba中的一种。本发明是(Ca,Sr,Ba)<subgt;4</subgt;Al<subgt;2</subgt;O<subgt;7</subgt;体系的水溶性牺牲材料，在制备自支撑薄膜具有很好的普适性；本发明的水溶性牺牲层具有较高的结晶度、表面平整，为后续目标薄膜的高质量生长提供了优异的平台；本发明的水溶性牺牲材料能够在许多衬底上高质量外延生长，因此获得高结晶度和高完整性的自支撑薄膜。

技术研发人员：王凌飞,王傲,章金凤
受保护的技术使用者：中国科学技术大学
技术研发日：
技术公布日：2024/4/17