第一作者：季殿祥、蔡嵩驊
通訊作者：聶越峰、王鵬、潘曉晴
通訊單位：南京大學、加州大學爾灣分校
重大的科學發現，往往來源于對更高、更強、更薄等極限行為的探索。納米科學家通過減小材料的尺寸到極限，來尋找前所未有的新功能和新形象。以石墨烯為例，薄到單層的碳原子，讓無數科學家為之著迷，前仆后繼，并榮膺諾貝爾獎。
鈣鈦礦氧化物由于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。那么，當鈣鈦礦氧化物的尺寸能夠薄到單層極限，會發生什么呢？為了滿足這個好奇心，首先，我們就必須制備單層鈣鈦礦氧化物二維材料。然而，這卻是目前最棘手的問題之一。
自從石墨烯問世以來，雖然單層二維材料如雨后春筍般不斷涌現。這其中，既有單元素材料，又有化合物材料，涵蓋了從導體到半導體和絕緣體的各種特征。但是所有這些二維材料，絕大多數都來自于具有弱鍵合層的晶態材料。而在鈣鈦礦氧化物等大多數晶態材料中，原子或分子之間的鍵合是各向同性的（在所有維度上具有相同的強度）。因此，這些材料傾向于自發形成三維物體，想要把它們變成單層二維材料可謂難之又難。目前的研究大多是基于沉積在基底表面的薄膜進行研究，尚未實現自支撐（free-standing）單層鈣鈦礦氧化物二維材料的制備。
有鑒于此，南京大學聶越峰、王鵬、潘曉晴團隊合作，采用分子束外延技術實現了自支撐的單層氧化物鈣鈦礦二維晶體薄膜的可控制備，首次報道了獨立分離的單層二維鈣鈦礦氧化物鈦酸鍶（SrTiO3）和鉍鐵氧體（BiFeO3）。
圖1. 單層鈣鈦礦薄膜的制備
研究團隊使用分子束外延技術將鈣鈦礦和水溶性緩沖層的超薄外延層“噴涂”到基板上，使緩沖層夾在鈣鈦礦氧化物和基板之間。通過將緩沖層溶解在水里，可以從基板上釋放出毫米大小的單晶鈣鈦礦氧化物薄膜，然后將它們轉移到各種其他基底上，例如含有微米級孔的碳基底。這樣，所得到的鈣鈦礦氧化物膜的厚度可以控制在原子水平，最終得到接近厚度極限的單原子層薄膜。
圖2. 制備過程和表征
掃描透射電子顯微鏡是一種可以解析單個原子并定量確定其位置的成像技術，基于該技術，研究團隊對自支撐的單層鈣鈦礦氧化物膜進行了詳細表征。他們發現，鉍鐵氧體薄膜經歷了不尋常的相變以形成不同的晶格。
圖3. 電鏡表征
在二維材料的世界，很多人都認為，二維材料的厚度有一個臨界值，當小于這個臨界值的時候，二維材料的晶格就會坍塌。而這項研究結果卻告訴我們，自支撐單層鈣鈦礦氧化物薄膜的厚度可以超出先前提出的臨界極限尺寸。至少對于鈣鈦礦氧化物薄膜來說，沒有最薄，只有更薄。
不過，這項研究成果只列舉了眾多鈣鈦礦氧化物中的兩個典型例子。這種方法對其他氧化物是否具有廣泛的適用性，這些新材料中是否會出現新的物理現象，是否還有更好的制備方法，這些問題都值得我們進一步思考。總之，這項研究開辟了自支撐的單層鈣鈦礦氧化物二維材料，為鈣鈦礦和二維材料兩個領域都帶來了全新的突破。
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。美國內布拉斯加-林肯大學的E.Y. Tsymbal教授課題組和加州大學爾灣分校的潘曉晴教授課題組參與了本項目的合作研究。本工作還得到團隊顧正彬副教授在樣品制備、材料系吳迪教授在PFM樣品表征方面的支持。
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參考文獻：
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https://www.nature.com/articles/s41586-019-1255-7
2. Yorick A. Birkh?lzer, Gertjan Koster. Howto make the thinnest possible free-standing sheets of perovskite materials. Nature2019, 570, 39-40.
https://www.nature.com/articles/d41586-019-01710-9
