兼容模拟电子应用的强关联钙钛矿氧化物大尺寸微米厚膜熔盐辅助液相生长技术

强关联钙钛矿稀土镍基氧化物（RENiO₃）半导体具有金属绝缘体相变、氢致电子相变等多重电子相变特性，在突变式敏感电阻、红外伪装、仿生传感器、类脑强关联器件与神经网络系统等诸多方面具有重要应用价值。但与传统强关联氧化物所不同，RENiO₃大多处于热力学亚稳相，其具有正吉布斯自由能而无法通过传统固相反应生长。因此，现有薄膜生长技术仅能实现百纳米厚度小尺寸的RENiO₃薄膜材料，难以满足匹配模拟电子器件电阻范围的规模化模拟电路应用。

为切实推动RENiO₃在面向未来人工智能技术的模拟电子器件应用，本文提出了一种碱金属卤化物熔盐辅助液相外延法，利用熔盐提供的稳定热力学环境以及恒定浓度的前驱体离子，首次实现了具有晶圆尺寸的RENiO₃微米厚膜的择优取向生长。所生长RENiO₃微米厚膜兼具100-500 K超宽温区范围可连续调控的金属绝缘体相变特性以及匹配模拟电子器件应用的器件电阻。以此为基础，研制出基于RENiO₃的高灵敏度低温型热敏电阻器件与温度预警系统。上述熔盐辅助液相外延法被成功推广至Pr_0.67Sr_0.33MnO₃、SrRuO₃及Bi₂Sr₂CaCu₂O₈等多体系功能氧化物微米厚膜生长。

传统方法生长RENiO₃时，通常先沉积前驱体，再进行高氧压退火。由于界面处与远离界面处的热力学环境存在显著差异，择优取向生长仅能维持在100 nm厚度以内，且远离界面处形成的多晶层及其晶界会严重削弱金属绝缘体相变的尖锐度。研究团队利用熔盐提供的稳定热力学环境及恒定浓度的前驱体离子，使RENiO₃沿原有晶体取向持续生长，并在生长过程中通过堆垛层错缓慢释放晶格应力，从而将择优取向生长拓展至微米尺度。所制备材料兼具100-500 K超宽温区范围可连续调控的金属绝缘体相变特性及匹配模拟电子器件应用的器件电阻。

现有突变式热敏电阻（VO_x及掺杂BaTiO₃）的工作温区均在室温以上，而低温型突变式热敏电阻在技术上尚属空白，难以满足液化天然气产业、深空探测等诸多实际应用需求。针对这一难题，研究团队设计了钙钛矿氧化物为支撑骨架、微米级RENiO₃材料为功能包覆层的异质结构，实现了力学支撑结构特性与电子相变功能特性的解耦分离，进而研制出兼具高灵敏度与低能耗的低温型突变式热敏电阻器件、模组、及温度预警系统。

强关联钙钛矿氧化物功能器件的规模化应用长期受限于大尺寸晶格匹配钙钛矿衬底制备困难这一核心瓶颈。为此，研究团队利用RENiO₃和氧化铝在（101）/（0001）晶面的高阶指数外延匹配关系，在低成本、可大尺寸制备的氧化铝衬底上实现RENiO3的择优取向生长。同时协同利用低熔点共晶熔盐降低合成温度，彻底摆脱了传统工艺对高氧压的依赖，最终在常压下即可有效生长大尺寸的RENiO₃微米级厚膜。