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南京大學(xué)Nature重磅：全球最薄的鈣鈦礦材料薄膜

2019-06-10 09:57:33 作者：Matplus 來源：材料十分享至：

二維（2D）材料由于其卓越的電子性能和應(yīng)用潛力而引起人們的興趣。在傳統(tǒng)的二維材料中，例如石墨烯和過渡金屬二硫族化合物，這些性質(zhì)很大程度上受到s和p軌道的弱相互作用電子的控制。與傳統(tǒng)二維材料相比，過渡金屬氧化物鈣鈦礦中d軌道的強相互作用電子產(chǎn)生了豐富的奇異相，包括高溫超導(dǎo)，巨磁電阻，莫特金屬-絕緣體躍遷和多鐵性。與傳統(tǒng)的二維材料一樣，2D過渡金屬氧化物鈣鈦礦有望展現(xiàn)出新的基本特性，并能夠開發(fā)多功能電子器件。然而，這種前景受到剝離三維氧化物晶體或從基底上提升強鍵合的超薄氧化物膜的技術(shù)挑戰(zhàn)的阻礙。

許多技術(shù)被用來合成獨立薄膜，包括使用酸對緩沖層進行選擇性蝕刻，水溶解NaCl基底和采用激光和離子注入熔融薄膜基底。在二維材料的世界，很多人都認為，二維材料的厚度有一個臨界值，當(dāng)小于這個臨界值的時候，二維材料的晶格就會坍塌。這些技術(shù)難以推廣到廣泛的鈣鈦礦氧化物。所以如何制備高質(zhì)量、可控性強的二維鈣鈦礦材料成為該領(lǐng)域基礎(chǔ)研究和材料應(yīng)用的主要問題。

為解決這一問題，南京大學(xué)王鵬教授，聶越峰教授及潘曉晴教授團隊合作，合成了高結(jié)晶質(zhì)量的獨立式鈣鈦礦薄膜，幾乎只有一個晶胞。采用近年來發(fā)展起來的以水溶性Sr3Al2O6為基礎(chǔ)，通過反應(yīng)性分子束外延法新方法合成了SrTiO3和BiFeO3薄膜。不僅如此，制備出的薄膜還可以轉(zhuǎn)移到不同的基底上，特別是晶體硅晶圓片和多孔碳薄膜。研究成果以題為Freestanding crystalline oxide perovskites down to the monolayer limit發(fā)表在Nature上。

超薄獨立SrTiO3薄膜的生長和轉(zhuǎn)移

鈣鈦礦氧化膜生長采用分子束外延技術(shù)替脈沖激光沉積技術(shù)將鈣鈦礦和水溶性緩沖層的超薄外延層“噴涂”到基板上，使緩沖層夾在鈣鈦礦氧化物和基板之間。通過將緩沖層溶解在水里，可以從基板上釋放出毫米大小的單晶鈣鈦礦氧化物薄膜，然后將它們轉(zhuǎn)移到各種其他基底上，例如含有微米級孔的碳基底。這樣，所得到的鈣鈦礦氧化物膜的厚度可以控制在原子水平，最終得到接近厚度極限的單原子層薄膜。掃描透射電子顯微鏡是一種可以解析單個原子并定量確定其位置的成像技術(shù)，基于該技術(shù)，研究團隊對自支撐的單層鈣鈦礦氧化物膜進行了詳細表征。所有樣品均呈原子平面，原子清晰可見，證明超薄單晶是獨立的。

高結(jié)晶超薄獨立STO薄膜的合成

獨立的BFO薄膜呈現(xiàn)菱形（R樣）至四方形（T樣）相變，并且當(dāng)接近最終2D極限時顯示出大的c / a比和巨極化。總而言之，將任何結(jié)晶的獨立鈣鈦礦薄膜轉(zhuǎn)移到硅或其他半導(dǎo)體晶片上的能力，可能使得能夠在常規(guī)半導(dǎo)體中直接結(jié)合強相關(guān)特性，為新一代多功能電子器件鋪平了道路。

超薄獨立BFO薄膜的巨極化和晶格畸變

計算超薄獨立式BFO薄膜的巨極化和晶格畸變

文章強調(diào)了在不受厚度限制的情況下，合成和轉(zhuǎn)移獨立式鈣鈦礦晶體薄膜的能力為研究2D相關(guān)相和界面現(xiàn)象創(chuàng)造了機會，這些優(yōu)點意味著還可以產(chǎn)生亞穩(wěn)態(tài)相和薄層不可分裂的三維晶體，大大擴展了晶體的范圍可用的二維材料，以前在技術(shù)上是不可能實現(xiàn)的。有了這種能力，我們可以預(yù)測2D鈣鈦礦氧化物在這一發(fā)現(xiàn)中可能與石墨烯一樣有用非常規(guī)二維相關(guān)材料。對于鈣鈦礦氧化物薄膜來說，沒有最薄，只有更薄。

此外，獨立的極端靈活性鈣鈦礦薄膜提供了前所未有的巨大應(yīng)變梯度，其中的柔性電/柔性磁效應(yīng)還有待探索。這一成果為新一代多功能電子設(shè)備鋪平了道路。

文獻鏈接：

https://www.nature.com/articles/s41586-019-1255-7

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