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南京大學科研團隊成功制備新穎超薄二維材料

2019年06月06日 17:08:29 來源: 新華網

    新華網南京6月6日電(龐雪汀)近日,南京大學聶越峰教授課題組採用分子束外延技術對非層狀結構的氧化物鈣鈦礦材料進行單原子層精度的生長與轉移,結合王鵬教授課題組的透射電子顯微鏡的結構分析,成功制備出基于氧化物鈣鈦礦體係的新穎二維材料。由于氧化物鈣鈦礦體係具有優異的電子特性,該成果開啟了一扇通往具有豐富強關聯二維量子現象的大門。北京時間6月6日,該成果以《單層氧化物鈣鈦礦二維晶體膜的實現》為題發表在國際頂級期刊《Nature》。

    這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-林肯大學的研究人員合作完成。據研究團隊帶頭人潘曉晴教授介紹,自2004年石墨烯被發現以來,以其為代表的各類二維原子晶體材料由于具有豐富多樣的物理、化學性質以及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。目前已知二維材料,無論是機械剝離還是人工生長,都依賴于其特殊的層狀結構特性及原子層間的弱鍵合作用;盡管非層狀結構的氧化物鈣鈦礦體係由于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,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。

    據潘曉晴解釋,聶越峰教授課題組採用了一種叫分子束外延的薄膜生長技術來制備氧化物鈣鈦礦二維材料。通過改進原位監控技術與採用高精度的逐層生長方法,成功實現了超薄氧化物鈣鈦礦薄膜的制備與轉移的突破,獲得原子層厚度的高質量氧化物鈣鈦礦二維材料。

    據聶越峰介紹,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溫超導在內的各種新奇的量子態。實現鈣鈦礦二維材料,在二維體係中加入這種電子間的強關聯作用,有望獲得更豐富而有趣的強關聯二維量子現象及應用。

    論文共同通訊作者王鵬教授表示,高分辨電子顯微鏡技術在鈣鈦礦氧化物二維材料的發現過程中發揮了重要作用,這大大得益于最近十年來球差校正技術和先進表徵方法的飛速發展。“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象等待我們探索和發現。”王鵬説。

    南京大學現代工程與應用科學學院博士研究生季殿祥與蔡嵩驊為論文的共同第一作者,聶越峰、王鵬與潘曉晴教授為論文共同通訊作者。合作團隊學術帶頭人潘曉晴為美國加州大學爾灣分校的Henry Samueli 講席教授兼南京大學客座教授。本工作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,已故的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了熱情鼓勵和大力支持。2016年,該中心正式啟動,旨在量子材料的微結構與物性方面的研究和面向新一代功能材料和器件的探索和開發。 (完)

    (a-c)氧化物鈣鈦礦二維薄膜的制備與轉移示意圖;(d-g)不同晶向亞原子分辨結構表徵;(h)氧化物鈣鈦礦二維材料中的豐富強關聯二維量子態展望  

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