复杂氧化物薄膜因其丰富的物理特性和多功能性在逻辑器件、存储器和光学器件中具有重要应用。然而，这些高质量氧化物薄膜通常需要昂贵的单晶基底，这限制了其广泛应用。因此，通过可回收基底来实现薄膜生长的可持续性具有重大意义。
普渡大学汪海燕课题组报道了在回收的SrTiO3 (STO) 基底上进行外延薄膜生长的研究。该研究详细比较了在回收的STO基底与原始STO基底上生长的薄膜在微观结构及物理特性上的差异。研究表明，回收基底表面由于之前沉积的氧化物层引入了预应变状态，这对后续生长的薄膜微观结构和性能产生了显著影响。具体而言，通过高分辨透射电子显微镜（STEM）和几何相位分析（GPA）观察到，回收基底上的表面应变状态与原始基底有所不同，这种应变状态的差异直接影响了薄膜的结晶质量和物理性能。此外，研究还发现，回收的STO基底上生长的钇铁石榴石（YIG）薄膜表现出与原始基底相比显著不同的磁各向异性，进一步证明了基底表面修饰对薄膜磁学性能的影响。这些结果表明，经过适当处理的回收基底可以提供不同的应变环境，从而可能在特定应用中实现优化的薄膜性能。
图一. STO基底的回收过程示意图.
图二. STO基底的表面应力状态对比.
本研究通过对回收基底的表面修饰效应进行深入分析，展示了回收STO基底在复杂氧化物薄膜生长中的可行性及其潜力。研究显示，通过适当的表面修饰处理，回收的STO基底能够实现与原始基底相媲美甚至更好的薄膜质量。这一过程大大降低了薄膜生长中的成本，提高了工艺的可持续性，特别适用于高质量氧化物薄膜在半导体行业中的广泛应用。此外，研究还发现，回收基底表面的应变状态变化可显著影响薄膜的微观结构和物理特性，这为通过基底工程来定制薄膜性能提供了新的可能性。需要注意的是如果追求在回收基底上实现薄膜生长的高度可重现性，可能需要对回收基底表面进行蚀刻处理，以移除表面的预应变层。通过使用回收的STO基底进行复杂氧化物薄膜的可持续生长，这项工作为降低成本及实现半导体产业中复杂氧化物薄膜的可持续制备提供了重要的科学依据和技术参考。
论文信息：
Epitaxial Thin Film Growth on Recycled SrTiO3 Substrates towards Sustainable Processing of Complex Oxides
Jianan Shen, Lizabeth Quigley, James P. Barnard, Ping Lu, Benson Kunhung Tsai, Dmitry Zemlyanov, Yizhi Zhang, Xuanyu Sheng, Jeremy Gan, Matteo Moceri, Zedong Hu, Jialong Huang, Chao Shen, Julia Deitz, Xinghang Zhang, Haiyan Wang*
Small Methods
DOI: 10.1002/smtd.202401148
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期刊简介
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