氧化物鈣鈦礦二維材料：有利於研究量子現象

導讀

據美國加州大學歐文分校官網近日報道，該校與美國內布拉斯加大學林肯分校以及中國南京大學的科研人員們合作採用分子束外延技術來製備氧化物鈣鈦礦二維材料。

背景

2004年，英國曼徹斯特大學教授安德烈·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。

（圖片來源：Tatiana Shepeleva/Shutterstock）

從那時起，以石墨烯為代表的二維材料，憑藉其優異的電子特性和廣闊的電子應用前景而引起了科學家們的極大興趣。

由超薄二維材料二硫化鉬製成的柔性微處理器（圖片來源：Stefan Wachter/維也納技術大學）

目前已知的二維材料，無論是通過機械剝離還是人工生長，都依賴於其特殊的層狀結構特性以及原子層間的弱鍵合作用。儘管非層狀結構的氧化物鈣鈦礦體系由於電子的強關聯效應呈現出極為豐富的物理和化學特性及其豐富多彩的量子現象，但是將其製備成原子級超薄的二維材料仍然頗具挑戰性。

創新

近日，美國加州大學歐文分校（UCI）、內布拉斯加大學林肯分校、中國南京大學的科研人員合作，在本周《自然（Nature）》期刊上發表的論文中，展示了在自支撐的柔性層中製造氧化物鈣鈦礦晶體的新工藝。

（圖片來源：Xiaoqing Pan / UCI）

技術

這種物質的二維結構引起了科學家與工程師們的極大關注，因為這種二維材料具有非凡的電子特性，例如高溫超導性。這些材料非常珍貴，因為它們有望成為在能源和量子計算等領域中應用的多功能高科技器件的潛在構建模塊。

論文合著者之一、加州大學歐文分校的材料科學與工程系教授潘曉晴 （Xiaoqing Pan）表示：「我們通過成功製造薄至單層極限的超薄氧化物鈣鈦礦，創造出一種新型二維材料。因為這些晶體具有強關聯效應，所以我們預計它們將表現出類似石墨烯的特性，成為新一代能源與信息技術的基礎。」

氧化物鈣鈦礦之所以難以變為扁平層，以實現頗具前景的物理與化學特性，是因為它具有塊狀且強鍵合的晶體結構。之前，通過脈衝激光沉積法製造這種自支撐的單層薄膜材料的努力都以失敗而告終。

潘教授的跨學科科研小組採用了一項稱為「分子束外延」的技術，在水溶性的緩衝層上，逐層生長氧化物薄膜，然後再進行蝕刻和轉移。

他說：「大多數已知的二維材料可通過剝離或者化學沉積的方法合成，是因為其塊狀晶體由獨特的分層結構組成。在這種分層結構中，許多共價鍵連接的平面通過弱范德華相互作用結合在一起。但是，氧化物鈣鈦礦卻不同；與大多數氧化物材料一樣，三維結構中的強化學鍵使其特別難製造成二維結構。」

潘教授表示，分子束外延技術是用於生長几乎零缺陷的氧化物鈣鈦礦的更精準方法。他之所以這麼認為，是因為他的研究團隊採用像差校正透射電子顯微鏡在原子級解析度下觀測了這種氧化物鈣鈦礦薄膜。

潘教授表示：「透射電子顯微鏡在這個項目中扮演了關鍵角色，因為它為優化薄膜生長條件提供了重要反饋，並使得我們可以直接觀察新現象，包括降維生成的晶體的對稱性破缺以及始料未及的極化增強。」

價值

他補充道：「因為氧化物鈣鈦礦在單層極限的情況下具有卓越的物理與化學特性以及層展現象，這項研究為在強關聯的二維材料中探索量子行為開啟了新的可能性。」

關鍵字

石墨烯、二維材料、量子

參考資料

【1】https://news.uci.edu/2019/06/06/uci-scientists-create-new-class-of-two-dimensional-materials/

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