南京大学Nature重磅：全球最薄的钙钛矿材料薄膜
2019-06-10 09:57:33
作者：Matplus 来源：材料十
二维（2D）材料由于其卓越的电子性能和应用潜力而引起人们的兴趣。在传统的二维材料中，例如石墨烯和过渡金属二硫族化合物，这些性质很大程度上受到s和p轨道的弱相互作用电子的控制。与传统二维材料相比，过渡金属氧化物钙钛矿中d轨道的强相互作用电子产生了丰富的奇异相，包括高温超导，巨磁电阻，莫特金属-绝缘体跃迁和多铁性。与传统的二维材料一样，2D过渡金属氧化物钙钛矿有望展现出新的基本特性，并能够开发多功能电子器件。然而，这种前景受到剥离三维氧化物晶体或从基底上提升强键合的超薄氧化物膜的技术挑战的阻碍。
许多技术被用来合成独立薄膜，包括使用酸对缓冲层进行选择性蚀刻，水溶解NaCl基底和采用激光和离子注入熔融薄膜基底。在二维材料的世界，很多人都认为，二维材料的厚度有一个临界值，当小于这个临界值的时候，二维材料的晶格就会坍塌。这些技术难以推广到广泛的钙钛矿氧化物。所以如何制备高质量、可控性强的二维钙钛矿材料成为该领域基础研究和材料应用的主要问题。
为解决这一问题，南京大学王鹏教授，聂越峰教授及潘晓晴教授团队合作，合成了高结晶质量的独立式钙钛矿薄膜，几乎只有一个晶胞。采用近年来发展起来的以水溶性Sr3Al2O6为基础，通过反应性分子束外延法新方法合成了SrTiO3和BiFeO3薄膜。不仅如此，制备出的薄膜还可以转移到不同的基底上，特别是晶体硅晶圆片和多孔碳薄膜。研究成果以题为Freestanding crystalline oxide perovskites down to the monolayer limit发表在Nature上。
超薄独立SrTiO3薄膜的生长和转移
钙钛矿氧化膜生长采用分子束外延技术替脉冲激光沉积技术将钙钛矿和水溶性缓冲层的超薄外延层“喷涂”到基板上，使缓冲层夹在钙钛矿氧化物和基板之间。通过将缓冲层溶解在水里，可以从基板上释放出毫米大小的单晶钙钛矿氧化物薄膜，然后将它们转移到各种其他基底上，例如含有微米级孔的碳基底。这样，所得到的钙钛矿氧化物膜的厚度可以控制在原子水平，最终得到接近厚度极限的单原子层薄膜。扫描透射电子显微镜是一种可以解析单个原子并定量确定其位置的成像技术，基于该技术，研究团队对自支撑的单层钙钛矿氧化物膜进行了详细表征。所有样品均呈原子平面，原子清晰可见，证明超薄单晶是独立的。
高结晶超薄独立STO薄膜的合成
独立的BFO薄膜呈现菱形（R样）至四方形（T样）相变，并且当接近最终2D极限时显示出大的c / a比和巨极化。总而言之，将任何结晶的独立钙钛矿薄膜转移到硅或其他半导体晶片上的能力，可能使得能够在常规半导体中直接结合强相关特性，为新一代多功能电子器件铺平了道路。
超薄独立BFO薄膜的巨极化和晶格畸变
计算超薄独立式BFO薄膜的巨极化和晶格畸变
文章强调了在不受厚度限制的情况下，合成和转移独立式钙钛矿晶体薄膜的能力为研究2D相关相和界面现象创造了机会，这些优点意味着还可以产生亚稳态相和薄层不可分裂的三维晶体，大大扩展了晶体的范围可用的二维材料，以前在技术上是不可能实现的。有了这种能力，我们可以预测2D钙钛矿氧化物在这一发现中可能与石墨烯一样有用非常规二维相关材料。对于钙钛矿氧化物薄膜来说，没有最薄，只有更薄。
此外，独立的极端灵活性钙钛矿薄膜提供了前所未有的巨大应变梯度，其中的柔性电/柔性磁效应还有待探索。这一成果为新一代多功能电子设备铺平了道路。
文献链接：
https://www.nature.com/articles/s41586-019-1255-7
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