我國研製出世界目前最薄鈣鈦礦二維材料

據科技日報6月10日消息，國際頂級期刊《自然》雜誌於近日發表了南京大學科研團隊與國外研究機構合作的一項成果，他們成功製備了原子層厚度的氧化物鈣鈦礦二維材料。該成果開啓了一扇通往具有豐富強關聯二維量子現象的大門。

（《自然》雜誌官網截圖）

這種二維材料具有非凡的電子特性，例如高温超導性。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。

該項研究成果由南京大學、美國加州大學爾灣分校和美國內布拉斯加-林肯大學研究人員合作完成。

（氧化物鈣鈦礦二維薄膜的製備  圖源：中國新聞網）

2004年，俄裔英國物理學家安德烈•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的極大興趣。在石墨烯出現後，各種單層二維材料如雨後春筍般不斷湧現，但是，原子層厚度的超博二維材料仍是沒有攻克的難題。

據研究團隊帶頭人潘曉晴教授介紹，自石墨烯被發現以來，以其為代表的各類二維原子晶體材料由於在信息傳輸和能源存儲器件等領域的廣泛應用前景而受到人們極大的關注。其中，鈣鈦礦氧化物由於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。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HaroldHuang課題組利用脈衝激光沉積技術在水溶性材料過渡層上生長鈣鈦礦氧化物薄膜，通過溶解過渡層的方式獲得了自支撐的鈣鈦礦薄膜，為製備二維材料提供了新思路。然而，他們在嘗試製備只有原子層厚度的超薄二維材料時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。

聶越峯教授（團隊成員之一）課題組採用了一種分子束外延的薄膜生長技術，獲得原子層厚度的高質量氧化物鈣鈦礦二維材料。王鵬教授課題組利用多種先進球差校正透射電子顯微鏡結構分析技術，直接觀測到鈣鈦礦BiFeO3（鉍鐵氧體）薄膜在二維極限下出現若干新穎現象。

據聶越峯介紹，電子在材料中的運動形式決定了材料的性能。在石墨烯等傳統二維材料中，電子的運動相對自由，不太受其他電子的影響；而在很多氧化物鈣鈦礦材料中，電子之間存在很強的相互作用，正是這種電子間的強關聯作用促成了包括高温超導在內的各種新奇的量子態。製備鈣鈦礦二維材料，在二維體系中加入這種電子間的強關聯作用，有望發現更豐富而有趣的強關聯二維量子現象。

本科研項目得到國家重點基礎研究發展計劃、國家自然科學基金及江蘇省“雙創人才”等項目的資助，以及南京大學現代工程與應用科學學院、固體微結構物理國家重點實驗室、人工微結構科學與技術協同創新中心、江蘇省功能材料設計原理與應用技術重點實驗室的大力支持。特別值得一提的是已故閔乃本院士對量子材料微結構研究中心的建立與發展給予鼓勵和支持。