日前，中国科大合肥微尺度物质科学国家研究中心王凌飞、吴文彬教授团队与侯达之教授团队合作，研发出一种基于锁相热成像的自支撑氧化物薄膜结构缺陷高通量检测方法。相关成果以“High-throughput characterization of local structural imperfections in freestanding oxide membranes by lock-in thermography”为题，发表在《科学通报》（Science Bulletin）上。
自支撑氧化物薄膜是一类在去除衬底后仍能保持单晶特性的功能薄膜材料，兼具柔性、可转移、易集成等优势和丰富物理功能，在柔性电子器件、新型传感器和多功能异质集成器件等方面具有重要应用潜力。此前，王凌飞、吴文彬教授团队成功研发广谱高效水溶性牺牲层 Sr4Al2O7，实现了厘米级尺寸单晶自支撑氧化物薄膜的高质量制备，为突破自支撑氧化物薄膜结晶性和完整性瓶颈提供了关键材料基础【Science383 (6681), 388-394】。然而，自支撑氧化物薄膜在剥离、释放和转移过程中仍可能产生裂纹、褶皱、鼓包等局部结构缺陷。这些缺陷尺度小、分布随机，在低倍光学显微镜下往往难以快速识别，却可能显著影响局部电导、介电常数、应变状态及器件性能，进而降低大面积器件阵列的均一性和可靠性。因此，发展一种兼具大面积、高效率和高灵敏度的高通量缺陷检测方法，是推动自支撑氧化物薄膜由材料制备走向器件应用的重要环节。
针对上述问题，研究团队将锁相热成像技术引入自支撑氧化物薄膜的结构缺陷检测。该方法通过向导电自支撑氧化物薄膜中注入周期性电流，使薄膜产生周期性焦耳热。当电流经过裂纹、褶皱等结构缺陷附近时，局部电流分布和发热行为会发生改变，并在红外热图中形成具有辨识度的“热指纹”。实验和有限元模拟结果表明，裂纹通常会产生类似“蝴蝶状”的热异常信号，而褶皱则表现为条纹状热信号。通过联合分析锁相热成像的温度振幅和相位信息，研究团队能够有效区分微裂纹、褶皱和长裂纹等不同类型的结构缺陷，并进一步实现对缺陷几何参数的定量评估。该方法仅需低倍红外镜头即可覆盖较大视场，对毫米尺度区域的成像仅需数十秒，大幅提升了自支撑氧化物薄膜缺陷筛查效率。研究团队在SrRuO3、La2/3Sr1/3MnO3、YBa2Cu3O7等典型导电氧化物自支撑薄膜中验证了该方法，并通过引入超薄导电覆盖层将高通量结构缺陷检测推广至绝缘性的自支撑氧化物薄膜。
该工作是团队在自支撑氧化物薄膜领域的重要后续工作，面向大面积自支撑薄膜从高质量制备走向可靠器件应用的实际需求，发展了一种兼具高效率和高灵敏度的缺陷检测方法。相关结果为自支撑氧化物薄膜的工艺优化、缺陷筛查和器件阵列质量控制提供了可靠高效的技术路径，也为柔性氧化物电子学和多功能异质集成器件的发展提供了重要支撑。
我校合肥微尺度物质科学国家研究中心博士研究生王傲、博士后研究员章金凤以及少年班学院大三本科生闫金翔为本文共同第一作者；王凌飞教授、侯达之教授为本文共同通讯作者。安徽凌光红外科技有限公司为本工作提供了锁相热成像关键设备和技术支持。该研究得到国家自然科学基金委、科技部国家重点研发计划、中国科学院稳定支持基础研究领域青年团队计划等项目的资助。
(a)利用锁相热成像测量自支撑氧化物薄膜中的微缺陷：周期性电流通过自支撑氧化物薄膜并产生周期性焦耳热，利用红外相机记录表面温度变化，再通过锁相分析提取振幅和相位信号。(b)自支撑SrRuO3薄膜的光学显微图像。在低倍光学图像中，高密度褶皱背景会掩盖大部分微裂纹信号；(c,d)自支撑SrRuO3薄膜的锁相热成像振幅和相位图。与低倍光学显微图像对应的锁相热成像图像可以清晰显示多个裂纹诱导的热异常。
论文链接：
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2095927326005396
（来源：中国科学技术大学，合肥微尺度物质科学国家研究中心、科研部）
