《通过外延石墨烯的范德华外延制备大面积氧化镓薄膜及其柔性日盲光电探测器应用》
作者及发表信息
本研究的通讯作者为Tien Khee Ng和Boon S. Ooi，合作团队来自沙特阿卜杜拉国王科技大学（KAUST）、韩国陶瓷工程技术研究院等机构，成果于2021年3月发表在《ACS Applied Materials & Interfaces》期刊（卷13，页码13410-13418）。
学术背景
研究聚焦于宽禁带半导体β-相氧化镓（β-Ga₂O₃）薄膜的大规模制备技术及其在日盲紫外光电探测器（solar-blind photodetectors）中的应用。β-Ga₂O₃因其超宽禁带宽度（~4.9 eV）和热稳定性，在高压功率器件和深紫外光电器件中具有重要潜力，但传统的体材料衬底（如蓝宝石、SiC）限制了其柔性化和垂直器件集成。为解决这一难题，研究团队提出利用外延石墨烯（epitaxial graphene, EG）的弱范德华力界面特性，通过”准范德华外延”（quasi-van der Waals epitaxy）技术实现β-Ga₂O₃薄膜的可控剥离，并成功制备高性能柔性器件。
研究流程与方法
1. 外延石墨烯（EG）的制备
- 衬底处理：采用1 cm×1 cm的6H-SiC（0001）衬底，通过HCl和HF去除表面污染物及氧化层。
- 高温石墨化：在H₂气氛中1600°C退火15分钟去除表面缺陷，随后在1650°C氩气环境中生长EG，形成具有压缩应力的多层石墨烯（约20层）。
- 关键创新：EG的晶格排列受SiC衬底调控，其压缩应变（Raman蓝移证实）为后续β-Ga₂O₃外延提供了模板作用。
2. β-Ga₂O₃的脉冲激光沉积（PLD）
- 生长条件：在800°C、5 mTorr O₂氛围下，使用20,000次激光脉冲（能量300 mJ，频率5 Hz）在EG上沉积250 nm厚的β-Ga₂O₃薄膜。
- 结构表征：X射线衍射（XRD）显示（201）取向生长，高分辨透射电镜（HR-TEM）证实界面处β-Ga₂O₃与EG的晶格匹配（位移距离4.69 Å）。
- 机理发现：氧气等离子体环境促进Ga₂O₃在低表面能石墨烯上的直接吸附，而EG的压缩应变缓冲了β-Ga₂O₃与SiC的晶格失配。
3. 镍应力层诱导自剥离
- 电镀镍层：在β-Ga₂O₃表面沉积50 nm Ti/Ni种子层后，通过电镀法生长8-40 μm厚的Ni应力层，控制电流密度（70 mA/cm²）和溶液温度（55°C）以调控内应力。
- 能量释放率计算：通过XRD应力测量和断裂力学公式（能量释放率G=1.71 J/m²），精准控制界面剥离（γgr-ga2o3=1.47 J/m²，γgr-sic=0.75 J/m²）。
- 剥离效果：获得1 cm²大面积自支撑β-Ga₂O₃纳米膜（SEM显示无破裂），柔性可弯曲（曲率半径3 mm）。
4. 柔性日盲光电探测器制备与测试
- 器件结构：垂直夹层结构（Ti/Ni/β-Ga₂O₃/氧化石墨烯），相比传统横向器件载流子传输距离从50 μm缩短至250 nm。
- 性能指标：响应度达151.1 A/W（250 nm光照），上升/下降时间0.28 s/0.42 s，优于横向器件（0.3 A/W，1.26 s/3.18 s）。机理归因于纳米膜厚度与载流子扩散长度匹配，减少表面陷阱效应。
主要结果与逻辑链条
- EG的压缩应变引导外延：Raman映射和TEM证实EG受SiC晶格影响产生压缩应变（位移3.62 Å vs 石墨烯本征值3.39 Å），为β-Ga₂O₃提供外延模板。
- 镍应力层的临界控制：当能量释放率>1.71 J/m²时实现自发剥离（无需胶带辅助），XRD和EDX验证剥离后薄膜的完整性。
- 器件性能突破：垂直结构将载流子渡越时间降低至亚微秒级，响应度提升500倍，且无传统氧化物探测器的”充电效应”（charging phenomenon）。
结论与价值
- 科学价值：首次通过EG/镍应力层协同作用实现β-Ga₂O₃大面积剥离，为氧化物基纳米膜的可控制备提供了普适性策略。
- 应用价值：柔性日盲探测器在火焰监测、深紫外通信等领域具有潜力，且EG衬底可重复使用（高温退火再生），降低制造成本。
- 技术拓展性：该方法可推广至其他宽带隙材料（如AlN、ZnO）的异质集成，为”后摩尔时代”的柔性光电子器件奠定基础。
研究亮点
- 界面工程创新：通过EG的准范德华外延和镍应力层的精确调控，攻克了3D材料/2D材料界面剥离难题。
- 跨尺度表征：结合HR-TEM、Raman mapping和XRD应力分析，多尺度揭示外延-剥离机理。
- 器件性能标杆：151.1 A/W的响应度为当前报道的柔性β-Ga₂O₃日盲探测器最高值之一。
其他发现
- 石墨烯氧化行为：剥离后β-Ga₂O₃背面残留的EG部分氧化（XPS显示C-O-C键），但仍保持导电性。
- 工艺兼容性：电镀镍层厚度可调（8-40 μm），适用于不同柔性衬底需求。
- 理论模型支持：通过断裂力学的混合模式（I/II型）裂纹扩展方程，量化了剥离临界条件。
（注：全文涉及的全部实验数据及补充材料可参考原文Supporting Information部分。）