一种基于复合过渡层的柔性功能薄膜及其制备方法与流程

本发明属于柔性薄膜技术领域，特别涉及一种基于复合过渡层的柔性功能薄膜及其制备方法。

背景技术：

柔性电子学是当下研究热点，柔性电子器件最大的特点是可弯曲、耐冲击及便于携带。柔性多功能薄膜的出现为柔性可穿戴电子器件的发展提供了新的契机。目前常见柔性电子器件一般以超薄玻璃、塑料、聚酰亚胺及金属箔衬底来实现柔性功能。另外，目前磁电复合结构受到衬底的束缚，导致磁电耦合效应受到衬底极大的制约，并且难以满足柔性电子器件增加的需求。

一般来说，功能薄膜都具有多种相结构，例如锰酸钇薄膜具有正交相和六方相，目前，大多数正交相锰酸钇薄膜的制备以钛酸锶为衬底，六方相锰酸钇薄膜的制备以氧化铝为衬底，但它们都免不了受到衬底的束缚。为了摆脱衬底的束缚，一般采用在衬底和所需薄膜之间加入水溶性牺牲层(例如铝酸锶)的方法，但牺牲层与薄膜之间往往存在晶格失配、多相混杂等问题，使得所需薄膜难以直接在牺牲层上生长。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种基于复合过渡层的柔性功能薄膜及其制备方法，以解决上述问题。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种基于复合过渡层的柔性功能薄膜，包括衬底、牺牲层、缓冲层和柔性功能薄膜层；衬底、牺牲层、缓冲层和柔性功能薄膜层从下到上依次设置。

进一步的，衬底为钛酸锶、氧化铝中的一种。

进一步的，牺牲层为铝酸锶，厚度为10～100nm。

进一步的，缓冲层为钛酸锶、氧化铝中的一种，厚度为1～5nm。

进一步的，柔性功能薄膜层为稀土锰氧化物中的一种，厚度为5～2000nm。

进一步的，一种基于复合过渡层的柔性功能薄膜的制备方法，包括以下步骤：

步骤1，以铝酸锶为靶材，采用脉冲激光沉积法在衬底的表面上进行第一层沉积，形成牺牲层；

步骤2，以钛酸锶或氧化铝为靶材，采用脉冲激光沉积法在牺牲层的表面上进行第二次沉积，形成缓冲层；

步骤3，以稀土锰氧化物为靶材，采用脉冲激光沉积法在缓冲层的表面上进行第三次沉积，形成功能薄膜层；

步骤4，在功能薄膜表面涂抹一层光刻胶，起到支撑柔性功能薄膜的作用；

步骤5，把薄膜放在去离子水中浸泡，使牺牲层在室温下被去离子水完全溶解，从而剥离出柔性功能薄膜。

进一步的，步骤1中，设置衬底与靶材的距离为5.5cm；将衬底温度加热至800℃，在激光能量为1.04w、频率为3hz、氧分压为20pa的条件下，采用脉冲激光沉积法在衬底的上表面生长牺牲层，沉积时间为15～20min，得到厚度为50nm的牺牲层；沉积完成后，保持衬底温度，退火5min。

进一步的，步骤2中，设置衬底温度为800℃，在激光能量为1.04w、频率为3hz、氧分压为20pa的条件下，利用靶材在步骤1得到的牺牲层的上表面生长缓冲层，沉积时间为20～25s，得到厚度为1～2nm的缓冲层。

进一步的，步骤3中，设置衬底与靶材的距离为5cm；在衬底温度为800℃，激光能量为1.5w、频率为5hz、氧分压为20pa的条件下，利用靶材在步骤2得到的缓冲层的上表面生长薄膜层，至薄膜层的厚度为60～200nm；沉积完成后，在衬底温度为500℃，氧压为1atm的条件下，退火10min。

与现有技术相比，本发明有以下技术效果：

本发明的一种使用复合过渡层技术制备具有特定相结构的柔性功能薄膜的方法可以得到具有特定相结构的柔性功能薄膜，不仅克服了目前功能薄膜大多都离不开衬底束缚的问题，还使得薄膜相结构可控。该方法避免了目前在水溶性牺牲层上直接生长薄膜时出现的晶格失配、多相混杂等问题，可广泛应用于制备特定相结构柔性功能薄膜的过程中。

附图说明

图1为本发明结构图；

图2为本发明流程图；

图3为本发明物理性能测试图；

图4为本发明实例1提供的ymo薄膜的结构示意图；

图5为本发明实例2提供的ymo薄膜的结构示意图；

图6为本发明实例3提供的tbmno3薄膜的结构示意图；

具体实施方式

以下结合附图对本发明进一步说明：

请参阅图1至图6，本发明提供了一种使用复合过渡层技术制备具有特定相结构的柔性功能薄膜的方法，从下到上依次包括衬底、牺牲层、缓冲层和柔性功能薄膜层，如图1所示。所述牺牲层和缓冲层共同构成复合过渡层。

在本发明中，所述衬底可以为钛酸锶(srtio3，简称为sto)、氧化铝(al2o3)中的一种。

在本发明中，所述牺牲层为铝酸锶(sr3al2o6，简称为sao)，其厚度为10～100nm，sao作为牺牲层(中间)能够在室温下被去离子水完全溶解，从而完全释放上层的功能薄膜。

在本发明中，所述缓冲层可以为sto、al2o3中的一种，其厚度为1～5nm。缓冲层可以对功能薄膜层的生长起诱导作用，使功能薄膜层具有特定相结构，避免由于牺牲层与功能薄膜层之间的晶格失配导致的多相混杂等问题。原则上，缓冲层材料的选取应与衬底一致。

在本发明中，所述柔性功能薄膜层为稀土锰氧化物rmno3(r＝y,sc,ho-lu)中的一种，厚度为5～2000nm。rmno3类的材料晶体结构会随着稀土离子半径的不同而不同，较大的稀土离子得到正交结构，较小稀土离子得到六方结构。并且由于外延应力的影响，其相结构也会发生改变。例如，在sto衬底上可以外延生长出正交相锰酸钇(ymno3，简称为ymo)薄膜，而在al2o3衬底上可以外延生长出六方相ymo薄膜。

本发明提供了上述技术方案所述使用复合过渡层技术制备具有特定相结构的柔性功能薄膜的方法，如图2所示，包括以下步骤：

以铝酸锶为靶材，采用脉冲激光沉积法在衬底的表面上进行第一层沉积，形成牺牲层；采用脉冲激光沉积法在牺牲层的表面上进行第二次沉积，形成缓冲层；采用脉冲激光沉积法在缓冲层的表面上进行第三次沉积，形成功能薄膜层；在功能薄膜表面涂抹一层光刻胶，起到支撑柔性功能薄膜的作用；把薄膜放在去离子水中浸泡，使牺牲层在室温下被去离子水完全溶解，从而剥离出柔性功能薄膜，如图3所示；把柔性功能薄膜转移到硅片、pet或pdms上，用于物理性能测试。

下面将结合本发明中的实施例，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1：在sto衬底上生长柔性正交相ymo薄膜

图4为本实例提供的ymo薄膜的结构示意图，从下至上依次为sto衬底、sao牺牲层、sto缓冲层和正交相ymo薄膜层。本实例的实现步骤如下

步骤一，以sao为靶材，采用脉冲激光沉积法在sto衬底的表面上进行第一层沉积，形成sao牺牲层。

1.1)sto衬底晶面取向为(001)方向，以确保获得的锰酸钇薄膜具有良好的正交相结构

1.2)sao牺牲层为立方相。sao作为牺牲层(中间)能够在室温下被去离子水完全溶解，从而完全释放上层的柔性锰酸钇薄膜。

1.3)设置sto衬底与sao靶材的距离为5.5cm；将sto衬底温度加热至800℃，在激光能量为1.04w、频率为3hz、氧分压为20pa的条件下，采用脉冲激光沉积法在sto衬底的上表面生长sao牺牲层，沉积时间为15～20min，得到厚度为50nm的sao牺牲层；沉积完成后，保持衬底温度，退火5min。

步骤二，以sto为靶材，采用脉冲激光沉积法在sao牺牲层的表面上进行第二次沉积，形成sto缓冲层。

2.1)sto缓冲层为立方相，其厚度为1～2nm。立方相的sto晶格常数为而正交相ymo的晶格常数为立方相sao的晶格常数为ymo在sao上直接生长，会出现正交相和六方相混杂的问题，故先生长一层很薄的sto作为缓冲层，保证生长的ymo只存在正交相。

2.2)设置衬底温度为800℃，在激光能量为1.04w、频率为3hz、氧分压为20pa的条件下，利用sto靶材在所述步骤一得到的sao牺牲层的上表面生长sto缓冲层，沉积时间为20～25s，得到厚度为1～2nm的sto缓冲层。

步骤三，以ymo为靶材，采用脉冲激光沉积法在sto缓冲层的表面上进行第三次沉积，形成ymo薄膜层。

设置sto衬底与ymo靶材的距离为5cm；在衬底温度为800℃，激光能量为1.5w、频率为5hz、氧分压为20pa的条件下，利用ymo靶材在所述步骤二得到的sto缓冲层的上表面生长ymo薄膜层，至所述ymo薄膜层的厚度为60～200nm；沉积完成后，在衬底温度为500℃，氧压为1atm的条件下，退火10min。

步骤四，在薄膜表面涂抹一层光刻胶，起到支撑柔性薄膜的作用。

步骤五，把薄膜放在去离子水中浸泡，使sao牺牲层在室温下被去离子水完全溶解，从而剥离出柔性ymo薄膜。

步骤六，把柔性ymo薄膜转移到硅片、pet或pdms上，用于物理性能测试。

实施例2：在al2o3衬底上生长柔性六方相ymo薄膜

图5为本实例提供的ymo薄膜的结构示意图，从下至上依次为al2o3衬底、sao牺牲层、al2o3缓冲层和六方相ymo薄膜层。本实例的实现步骤如下

步骤一，以sao为靶材，采用脉冲激光沉积法在al2o3衬底的表面上进行第一层沉积，形成sao牺牲层。

步骤二，以al2o3为靶材，采用脉冲激光沉积法在sao牺牲层的表面上进行第二次沉积，形成al2o3缓冲层。

步骤三，以ymo为靶材，采用脉冲激光沉积法在al2o3缓冲层的表面上进行第三次沉积，形成ymo薄膜层。

步骤四，在薄膜表面涂抹一层光刻胶，起到支撑柔性薄膜的作用。

步骤五，把薄膜放在去离子水中浸泡，使sao牺牲层在室温下被去离子水完全溶解，从而剥离出柔性ymo薄膜。

步骤六，把柔性ymo薄膜转移到硅片、pet或pdms上，用于物理性能测试。

实施例3：在sto衬底上生长柔性单斜相tbmno3薄膜

图6为本实例提供的tbmno3薄膜的结构示意图，从下至上依次为sto衬底、sao牺牲层、sto缓冲层和单斜相tbmno3薄膜层。本实例的实现步骤如下

步骤一，以sao为靶材，采用脉冲激光沉积法在sto衬底的表面上进行第一层沉积，形成sao牺牲层。

sto衬底晶面取向为(001)方向，以确保获得的tbmno3薄膜具有良好的单斜相结构

步骤二，以sto为靶材，采用脉冲激光沉积法在sao牺牲层的表面上进行第二次沉积，形成sto缓冲层。

sto缓冲层对tbmno3起诱导作用，使得tbmno3结构由原来的正交结构变为单斜结构。

步骤三，以tbmno3为靶材，采用脉冲激光沉积法在sto缓冲层的表面上进行第三次沉积，形成tbmno3薄膜层。

步骤四，在薄膜表面涂抹一层光刻胶，起到支撑柔性薄膜的作用。

步骤五，把薄膜放在去离子水中浸泡，使sao牺牲层在室温下被去离子水完全溶解，从而剥离出柔性tbmno3薄膜。

步骤六，把柔性tbmno3薄膜转移到硅片、pet或pdms上，用于物理性能测试。