中国科学技术大学合肥微尺度物质科学国家研究中心教授吴文彬、王凌飞团队与西北大学教授司良团队合作，发现一种广谱高效的新型超四方相水溶性牺牲层材料Sr₄Al₂O₇。该高性能氧化物材料可用于制备多种高完整性高质量自支撑氧化物薄膜。相关研究成果近日发表于《科学》。

多年来，自支撑氧化物薄膜的主流制备方法是基于水溶性牺牲层的薄膜生长、剥离和转移技术。然而，国际上普遍使用的Sr-Al-O基水溶性牺牲层与目标氧化物薄膜之间会形成高密度界面缺陷，导致水辅助剥离和转移过程中自支撑氧化物薄膜产生高密度裂纹，显著影响结晶性和完整性。因此，如何抑制缺陷形成，获得大面积、高结晶性、高性能的自支撑薄膜是关键科学问题。

研发团队深入探索了Sr-Al-O基水溶性薄膜的激光分子束外延生长窗口，利用精细的薄膜生长控制技术发现了一种新型水溶性牺牲层材料——Sr₄Al₂O₇。

系统性实验表征和第一性原理材料模拟计算发现，双轴应变下的Sr₄Al₂O₇薄膜具有四方结构对称性，与多数ABO₃钙钛矿材料可以形成高质量共格外延生长，抑制了界面处缺陷的形成和水辅助剥离过程中裂纹的产生，显著提升了自支撑氧化物薄膜的结晶性和完整性。研究团队发现从Sr₄Al₂O₇上剥离的自支撑薄膜中无裂纹区域可以扩展到毫米级，比目前已报道的同类自支撑薄膜样品在尺寸上高1~3个数量级，且其结晶性和功能性可以与单晶衬底上生长的外延薄膜媲美。

Sr₄Al₂O₇薄膜具有宽且稳定的激光分子束外延生长窗口，与多数钙钛矿氧化物薄膜的生长兼容，制备工艺具有普适性。研究团队进一步发现Sr₄Al₂O₇独特的化学组分和晶体结构导致其具有极高的水溶性，可以将水辅助剥离时间缩短近一个数量级，显著提升自支撑氧化物薄膜的制备效率，有助于大规模高性能氧化物薄膜的制备。

相关论文信息：https://doi.org/10.1126/science.adi6620

（原载于《中国科学报》 2024-02-02 第1版 要闻）