我國研制出世界目前最薄鈣鈦礦二維材料

據(jù)科技日?qǐng)?bào)6月10日消息，國際頂級(jí)期刊《自然》雜志于近日發(fā)表了南京大學(xué)科研團(tuán)隊(duì)與國外研究機(jī)構(gòu)合作的一項(xiàng)成果，他們成功制備了原子層厚度的氧化物鈣鈦礦二維材料。該成果開啟了一扇通往具有豐富強(qiáng)關(guān)聯(lián)二維量子現(xiàn)象的大門。

這種二維材料具有非凡的電子特性，例如高溫超導(dǎo)性。這些材料非常珍貴，因?yàn)樗鼈冇型蔀樵?a href="http://msthinker.com/" target="_blank">能源和量子計(jì)算等領(lǐng)域中應(yīng)用的多功能高科技器件的潛在構(gòu)建模塊。

該項(xiàng)研究成果由南京大學(xué)、美國加州大學(xué)爾灣分校和美國內(nèi)布拉斯加-林肯大學(xué)研究人員合作完成。

2004年，俄裔英國物理學(xué)家安德烈?海姆和康斯坦丁.諾沃肖洛夫從石墨薄片中剝離出了石墨烯。從那時(shí)起，以石墨烯為代表的二維材料，憑借其優(yōu)異的電子特性和廣闊的電子應(yīng)用前景而引起了科學(xué)家的極大興趣。在石墨烯出現(xiàn)后，各種單層二維材料如雨后春筍般不斷涌現(xiàn)，但是，原子層厚度的超博二維材料仍是沒有攻克的難題。

據(jù)研究團(tuán)隊(duì)帶頭人潘曉晴教授介紹，自石墨烯被發(fā)現(xiàn)以來，以其為代表的各類二維原子晶體材料由于在信息傳輸和能源存儲(chǔ)器件等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用前景而受到人們極大的關(guān)注。其中，鈣鈦礦氧化物由于過渡金屬離子中的電子-電子相互作用，展示出多鐵性和巨磁電阻等多種特殊的物理效應(yīng)。但是，原子層厚度的超薄二維材料仍有待攻克。

2016年，斯坦福大學(xué)HaroldHuang課題組利用脈沖激光沉積技術(shù)在水溶性材料過渡層上生長(zhǎng)鈣鈦礦氧化物薄膜，通過溶解過渡層的方式獲得了自支撐的鈣鈦礦薄膜，為制備二維材料提供了新思路。然而，他們?cè)趪L試制備只有原子層厚度的超薄二維材料時(shí)碰到了難以克服的困難，使得鈣鈦礦氧化物二維材料的探索又陷入了困境。

聶越峰教授（團(tuán)隊(duì)成員之一）課題組采用了一種分子束外延的薄膜生長(zhǎng)技術(shù)，獲得原子層厚度的高質(zhì)量氧化物鈣鈦礦二維材料。王鵬教授課題組利用多種先進(jìn)球差校正透射電子顯微鏡結(jié)構(gòu)分析技術(shù)，直接觀測(cè)到鈣鈦礦BiFeO3（鉍鐵氧體）薄膜在二維極限下出現(xiàn)若干新穎現(xiàn)象。

據(jù)聶越峰介紹，電子在材料中的運(yùn)動(dòng)形式?jīng)Q定了材料的性能。在石墨烯等傳統(tǒng)二維材料中，電子的運(yùn)動(dòng)相對(duì)自由，不太受其他電子的影響；而在很多氧化物鈣鈦礦材料中，電子之間存在很強(qiáng)的相互作用，正是這種電子間的強(qiáng)關(guān)聯(lián)作用促成了包括高溫超導(dǎo)在內(nèi)的各種新奇的量子態(tài)。制備鈣鈦礦二維材料，在二維體系中加入這種電子間的強(qiáng)關(guān)聯(lián)作用，有望發(fā)現(xiàn)更豐富而有趣的強(qiáng)關(guān)聯(lián)二維量子現(xiàn)象。

本科研項(xiàng)目得到國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金及江蘇省“雙創(chuàng)人才”等項(xiàng)目的資助，以及南京大學(xué)現(xiàn)代工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院、固體微結(jié)構(gòu)物理國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、人工微結(jié)構(gòu)科學(xué)與技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心、江蘇省功能材料設(shè)計(jì)原理與應(yīng)用技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的大力支持。特別值得一提的是已故閔乃本院士對(duì)量子材料微結(jié)構(gòu)研究中心的建立與發(fā)展給予鼓勵(lì)和支持。