PtTe2薄膜的基底适应性及无应力碲化处理

《physica status solidi (RRL) – Rapid Research Letters》：Substrate-Versatile and Stress-Free Tellurization of PtTe2 Films

铂族元素二碲化物（PtTe?）是一种具有倾斜狄拉克 cones 能带结构的 II 型拓扑半金属，其纳米级薄膜的制备技术是集成到电子器件的关键。本研究提出了一种基于溅射沉积铂前驱体与后续 tellurization 的两步工艺，通过优化 tellurization 的热速率（Qtd过程）解决了硅基板和二氧化硅基板上的热应力问题，避免了薄膜皱褶。实验表明，Qtd过程在硅基板上实现了晶粒尺寸从9 nm提升至25 nm的三倍增强，同时保持材料的高结晶质量（Raman和XRD表征）。该工艺结合光刻技术可实现微米级任意图案化，为拓扑材料在柔性电子、红外探测等领域的应用奠定了基础。

　　铂金二碲化物（PtTe?）是一种具有倾斜锥形能带结构的II型狄拉克半金属，这种特性赋予了它独特的电子和光学拓扑性质。本研究提出了一种大规模生长PtTe?薄膜的新方法，能够实现纳米级厚度的薄膜制备。该方法采用物理溅射沉积铂（Pt）前驱体薄膜，随后在450摄氏度下进行碲化处理。虽然铂沉积步骤对基底材料的选择没有严格限制，但研究表明，在从硅基底扩展到透明二氧化硅基底的过程中，热处理速率对热诱导应变的影响显著，进而导致薄膜出现宏观褶皱。因此，通过优化热处理参数，采用较慢的热处理过程，成功实现了在二氧化硅基底上的无应力生长。此外，相同的优化过程在硅基底上也展现出更优的薄膜结晶质量，最小晶粒尺寸相较于原始方法提升了三倍。这些成果结合了生长技术的可扩展性以及通过光学光刻实现的确定性材料图案化，为PtTe?在各种设备中的便捷集成提供了关键基础。

随着近年来对拓扑材料研究的深入，科学界对这类材料的电子特性表现出浓厚兴趣。拓扑材料具有独特的电子结构，其性质受到非平凡拓扑不变量的保护，从而表现出对缺陷或无序的鲁棒性。这种特性使得它们在多种应用场景中展现出巨大的潜力，例如先进纳米互连和远红外/太赫兹光探测等。PtTe?作为一类二维过渡金属二硫属化物（TMDs）的成员，具有II型狄拉克半金属的特性，其能带结构中的狄拉克锥具有倾斜性，从而导致各向异性电子传输特性。这种结构特性使其在柔性、透明电子设备的开发中尤为突出，因为其二维特性可以很好地适应现代电子器件的轻量化和集成化需求。

然而，要实现PtTe?在设备中的实际应用，仍需解决其大规模生长和集成的问题。传统方法如机械剥离和化学剥离虽然能制备出高质量的单层材料，但难以满足工业应用对尺寸和均匀性的要求。化学气相沉积（CVD）技术虽然能够实现大面积薄膜生长，但其多晶结构和较差的均匀性限制了其在高端电子设备中的使用。为此，研究人员探索了其他替代方案，如金属有机CVD（MOCVD），但这种方法通常涉及有毒且昂贵的前驱体材料。相比之下，基于固体前驱体薄膜的CVD变体技术提供了一种更为可行的路径，因为它可以在较低温度下进行，同时保持较高的材料质量。

本研究提出了一种新型的两步生长工艺，通过物理溅射沉积铂前驱体薄膜，随后在高温度环境下进行碲化处理，从而获得大面积、纳米级厚度的PtTe?薄膜。这种方法的关键在于对热处理过程的优化，特别是在热处理速率的调整上。通过减缓加热速率，可以有效减少由于基底与薄膜之间热膨胀系数差异引起的热诱导应变，从而避免宏观褶皱的形成。这种优化不仅适用于二氧化硅基底，同时也提升了在硅基底上的薄膜质量，使其晶粒尺寸达到原始工艺的三倍。这表明，通过调整热处理参数，可以在多种基底上实现高质量的PtTe?薄膜生长。

此外，该工艺结合了光学光刻技术，使得PtTe?薄膜可以被任意图案化，从而满足复杂器件设计的需求。这一结合为将PtTe?材料应用于微电子和光电子领域提供了新的可能性。例如，在柔性电子器件、透明导电膜或超材料结构中，PtTe?的二维特性使其成为一种极具吸引力的候选材料。通过光学光刻实现的微米级图案化，使得PtTe?能够被精准地集成到现有的微纳加工流程中，从而推动其在实际应用中的发展。

在实验过程中，研究人员对PtTe?薄膜的结构和性能进行了全面表征。原子力显微镜（AFM）图像显示，通过控制前驱体薄膜的沉积厚度，可以精确调控最终PtTe?薄膜的厚度。例如，使用4纳米厚的铂前驱体薄膜进行碲化处理后，最终薄膜厚度达到16纳米，表明其具有显著的体积膨胀能力。这种膨胀特性与文献中的类似工艺结果一致，验证了该工艺的有效性。

为了进一步评估薄膜的结晶质量，研究人员采用了X射线衍射（XRD）技术。XRD分析表明，优化后的工艺（称为准热力学工艺，Qtd）能够形成更有序的晶体结构，其主峰（001）的强度显著增强，且峰宽大幅减小，表明晶粒尺寸明显增大。通过Scherrer方程对数据进行分析，得出原始工艺的最小晶粒尺寸约为9纳米，而优化后的工艺达到了25纳米。这一结果不仅证明了新工艺在提升薄膜结晶质量方面的优势，也为未来进一步优化生长条件提供了理论依据。

同时，研究人员还通过拉曼光谱对薄膜的结构进行了表征。拉曼光谱显示出两个特征峰，分别位于112.1和157.9厘米?1处，对应于1T-PtTe?相的面内Eg和面外A?g振动模式。这些峰的半高宽（FWHM）分别为7.3和5.2厘米?1，表明薄膜具有较高的结晶质量。在环境暴露时间较长的情况下，如10天后，拉曼光谱仍然保持稳定，峰位和FWHM几乎没有变化，进一步证明了PtTe?在环境下的良好稳定性。

值得注意的是，当该工艺应用于二氧化硅基底时，由于二氧化硅的热导率较低，导致在快速加热和自然冷却过程中，薄膜与基底之间产生热滞后，进而积累应变并形成宏观褶皱。这一现象在光学图像中尤为明显，表明在某些应用中，如基于褶皱的电子器件，这种应变可能具有潜在价值。然而，为了实现无褶皱的高质量薄膜，研究人员通过调整热处理参数，采用较慢的加热和冷却速率，成功避免了应变的积累，从而实现了在二氧化硅基底上的平整薄膜生长。

通过这一优化，研究人员不仅验证了该工艺在多种基底上的适用性，还展示了其在实际应用中的灵活性。例如，该工艺可以被扩展至其他柔性基底，如聚酰亚胺（Kapton）或硅基底，从而为未来的电子器件设计提供更多的可能性。此外，该工艺的可扩展性也使其适用于更大面积的薄膜制备，为大规模工业应用奠定了基础。

在实验方法方面，研究人员采用了多种技术手段来确保薄膜的高质量生长。首先，通过物理溅射沉积技术，可以精确控制铂前驱体薄膜的厚度，从而为后续的碲化处理提供良好的基础。其次，光学光刻技术的应用使得PtTe?薄膜能够被任意图案化，满足不同器件设计的需求。最后，通过调整热处理参数，研究人员实现了对薄膜结构和性能的优化，从而提升了其在实际应用中的可靠性。

综上所述，这项研究为PtTe?材料的大规模生长和集成提供了一种可行的方案。通过优化热处理过程，研究人员成功避免了热诱导应变带来的问题，并提升了薄膜的结晶质量。这一成果不仅拓展了PtTe?在多种基底上的应用范围，也为未来在电子、光电子和新型传感器等领域的进一步研究提供了重要基础。随着相关技术的不断发展，PtTe?有望成为下一代电子器件中不可或缺的材料之一。