南京大學(xué)聶越峰教授課題組采用分子束外延技術(shù)對非層狀結(jié)構(gòu)的氧化物鈣鈦礦材料進(jìn)行單原子層精度的生長與轉(zhuǎn)移，結(jié)合王鵬教授課題組的透射電子顯微鏡的結(jié)構(gòu)分析，成功制備出基于氧化物鈣鈦礦體系的新穎二維材料。由于氧化物鈣鈦礦體系具有優(yōu)異的電子特性，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。6月6日，該成果以《單層氧化物鈣鈦礦二維晶體膜的實(shí)現(xiàn)》為題發(fā)表在《科學(xué)》雜志上。

 　　目前已知二維材料，無論是機(jī)械剝離還是人工生長，都依賴于其特殊的層狀結(jié)構(gòu)特性及原子層間的弱鍵合作用。盡管非層狀結(jié)構(gòu)的氧化物鈣鈦礦體系由于電子的強(qiáng)關(guān)聯(lián)效應(yīng)呈現(xiàn)出極為豐富的物理和化學(xué)特性及其豐富多彩的量子現(xiàn)象，其原子層厚度的超薄二維材料的制備仍然是有待攻克重大難題。

 　　據(jù)研究團(tuán)隊(duì)帶頭人潘曉晴解釋，課題組采用了一種叫分子束外延的薄膜生長技術(shù)來制備氧化物鈣鈦礦二維材料。通過改進(jìn)原位監(jiān)控技術(shù)與采用高精度的逐層生長方法，成功實(shí)現(xiàn)了超薄氧化物鈣鈦礦薄膜的制備與轉(zhuǎn)移的突破，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)實(shí)現(xiàn)了二維極限下電鏡樣品制備、層數(shù)標(biāo)定和精細(xì)晶體結(jié)構(gòu)表征，直接觀測到鈣鈦礦BiFeO3薄膜在二維極限下出現(xiàn)若干新穎現(xiàn)象。這樣重大突破性工作的實(shí)現(xiàn)得益于先進(jìn)的分子束外延薄膜生長技術(shù)與亞原子分辨電子顯微分析技術(shù)的有機(jī)結(jié)合及研究人員之間的密切合作。

 　　據(jù)聶越峰介紹，電子在材料中的運(yùn)動形式?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)動相對自由，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)。實(shí)現(xiàn)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，有望獲得更豐富而有趣的強(qiáng)關(guān)聯(lián)二維量子現(xiàn)象及應(yīng)用。

 　　王鵬表示，高分辨電子顯微鏡技術(shù)在鈣鈦礦氧化物二維材料的發(fā)現(xiàn)過程中發(fā)揮了重要作用，這大大得益于最近10年來球差校正技術(shù)和先進(jìn)表征方法的飛速發(fā)展。“我們相信，在微觀尺度上該二維材料中將有更多有趣和新穎的物理現(xiàn)象等待我們探索和發(fā)現(xiàn)。”

這項(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)的研究人員合作完成。