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我国研制出世界目前最薄钙钛矿二维材料

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  • 时间:2019-06-11
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  据科技日报6月10日消息,国际顶级期刊《自然》杂志于近日发表了南京大学科研团队与国外研究机构合作的一项成果,他们成功制备了原子层厚度的氧化物钙钛矿二维材料。该成果开启了一扇通往具有丰富强关联二维量子现象的大门。


  这种二维材料具有非凡的电子特性,例如高温超导性。这些材料非常珍贵,因为它们有望成为在能源和量子计算等领域中应用的多功能高科技器件的潜在构建模块。


  该项研究成果由南京大学、美国加州大学尔湾分校和美国内布拉斯加-林肯大学研究人员合作完成。


  2004年,俄裔英国物理学家安德烈?海姆和康斯坦丁.诺沃肖洛夫从石墨薄片中剥离出了石墨烯。从那时起,以石墨烯为代表的二维材料,凭借其优异的电子特性和广阔的电子应用前景而引起了科学家的极大兴趣。在石墨烯出现后,各种单层二维材料如雨后春笋般不断涌现,但是,原子层厚度的超博二维材料仍是没有攻克的难题。


  据研究团队带头人潘晓晴教授介绍,自石墨烯被发现以来,以其为代表的各类二维原子晶体材料由于在信息传输和能源存储器件等领域的广泛应用前景而受到人们极大的关注。其中,钙钛矿氧化物由于过渡金属离子中的电子-电子相互作用,展示出多铁性和巨磁电阻等多种特殊的物理效应。但是,原子层厚度的超薄二维材料仍有待攻克。


  2016年,斯坦福大学HaroldHuang课题组利用脉冲激光沉积技术在水溶性材料过渡层上生长钙钛矿氧化物薄膜,通过溶解过渡层的方式获得了自支撑的钙钛矿薄膜,为制备二维材料提供了新思路。然而,他们在尝试制备只有原子层厚度的超薄二维材料时碰到了难以克服的困难,使得钙钛矿氧化物二维材料的探索又陷入了困境。


  聂越峰教授(团队成员之一)课题组采用了一种分子束外延的薄膜生长技术,获得原子层厚度的高质量氧化物钙钛矿二维材料。王鹏教授课题组利用多种先进球差校正透射电子显微镜结构分析技术,直接观测到钙钛矿BiFeO3(铋铁氧体)薄膜在二维极限下出现若干新颖现象。


  据聂越峰介绍,电子在材料中的运动形式决定了材料的性能。在石墨烯等传统二维材料中,电子的运动相对自由,不太受其他电子的影响;而在很多氧化物钙钛矿材料中,电子之间存在很强的相互作用,正是这种电子间的强关联作用促成了包括高温超导在内的各种新奇的量子态。制备钙钛矿二维材料,在二维体系中加入这种电子间的强关联作用,有望发现更丰富而有趣的强关联二维量子现象。


  本科研项目得到国家重点基础研究发展计划、国家自然科学基金及江苏省“双创人才”等项目的资助,以及南京大学现代工程与应用科学学院、固体微结构物理国家重点实验室、人工微结构科学与技术协同创新中心、江苏省功能材料设计原理与应用技术重点实验室的大力支持。特别值得一提的是已故闵乃本院士对量子材料微结构研究中心的建立与发展给予鼓励和支持。 科技日报

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