近日，國(guó)際頂級(jí)期刊《自然》雜志發(fā)表了南京大學(xué)科研團(tuán)隊(duì)與國(guó)外研究機(jī)構(gòu)合作的一項(xiàng)成果，他們成功制備了原子層厚度的氧化物鈣鈦礦二維材料。該成果開啟了一扇通往具有豐富強(qiáng)關(guān)聯(lián)二維量子現(xiàn)象的大門。

鈣鈦礦型材料在太陽能電池和發(fā)光二極管中擁有巨大應(yīng)用潛力，一直是材料科學(xué)研究中的明星。近幾年研究發(fā)現(xiàn)，在可再生能源轉(zhuǎn)換方面，鈣鈦礦材料同樣表現(xiàn)出色。

當(dāng)前，可再生能源正在高速發(fā)展，其轉(zhuǎn)換和利用涉及多個(gè)方面，如光伏(將太陽能轉(zhuǎn)化為電能)，電催化(將電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能)，光催化(將太陽能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能)等。這些技術(shù)的大規(guī)模應(yīng)用對(duì)功能材料的性質(zhì)提出了挑戰(zhàn)。

想要實(shí)現(xiàn)大規(guī)模電解水制氫，需要高效析氧反應(yīng)催化劑，而標(biāo)準(zhǔn)化的析氧反應(yīng)催化劑IrO2,RuO2都很昂貴，因此尋找廉價(jià)、穩(wěn)定、環(huán)境友好的新型析氧反應(yīng)催化劑材料成為產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的關(guān)鍵;在光催化或光電催化分解水方面，高效穩(wěn)定的n型光陽極材料目前還很缺乏，許多非氧化物陽極材料(比如III-V族半導(dǎo)體)在水溶液環(huán)境下很不穩(wěn)定，而常見的氧化物又很難在可見光下展現(xiàn)出高效的太陽能產(chǎn)氫效率;光伏過程對(duì)材料本身光學(xué)和電學(xué)性質(zhì)要求較高，一般需要有合適帶隙(1.0-1.6eV)，吸光性強(qiáng)，載流子遷移率大、壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)。

以上三種能源轉(zhuǎn)換過程涉及到物理機(jī)制各不相同，因此對(duì)材料性質(zhì)的要求也不相同。然而，氧化物鈣鈦礦及其衍生物材料卻能在這三方面都有應(yīng)用，已經(jīng)成為能源轉(zhuǎn)換材料的研究熱點(diǎn)。

發(fā)表在《自然》上的研究成果，是由南京大學(xué)、美國(guó)加州大學(xué)爾灣分校和美國(guó)內(nèi)布拉斯加-林肯大學(xué)研究人員合作完成。

他們成功制備的原子層厚度的氧化物鈣鈦礦二維材料具有非凡的電子特性，例如高溫超導(dǎo)性等，有望成為在能源和量子計(jì)算等領(lǐng)域中應(yīng)用的多功能高科技器件的潛在構(gòu)建模塊。

他們的研究啟發(fā)自石墨烯材料。2004年，俄裔英國(guó)物理學(xué)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(shí)起，以石墨烯為代表的二維材料，憑借其優(yōu)異的電子特性和廣闊的電子應(yīng)用前景而引起了科學(xué)家的極大興趣。在石墨烯出現(xiàn)后，各種單層二維材料如雨后春筍般不斷涌現(xiàn)，但是，原子層厚度的超薄二維材料仍是沒有攻克的難題。

據(jù)南京大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)帶頭人潘曉晴教授介紹，自石墨烯被發(fā)現(xiàn)以來，以其為代表的各類二維原子晶體材料由于在信息傳輸和能源存儲(chǔ)器件等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用前景而受到人們極大的關(guān)注。其中，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(yīng)。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(xué)HaroldHuang課題組利用脈沖激光沉積技術(shù)在水溶性材料過渡層上生長(zhǎng)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，為制備二維材料提供了新思路。然而，他們?cè)趪L試制備只有原子層厚度的超薄二維材料時(shí)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。

作為南京大學(xué)團(tuán)隊(duì)成員，聶越峰教授課題組采用了一種分子束外延的薄膜生長(zhǎng)技術(shù)，獲得原子層厚度的高質(zhì)量氧化物鈣鈦礦二維材料。王鵬教授課題組利用多種先進(jìn)球差校正透射電子顯微鏡結(jié)構(gòu)分析技術(shù)，直接觀測(cè)到鈣鈦礦BiFeO3(鉍鐵氧體)薄膜在二維極限下出現(xiàn)若干新穎現(xiàn)象。

據(jù)聶越峰介紹，電子在材料中的運(yùn)動(dòng)形式?jīng)Q定了材料的性能。在石墨烯等傳統(tǒng)二維材料中，電子的運(yùn)動(dòng)相對(duì)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(qiáng)的相互作用，正是這種電子間的強(qiáng)關(guān)聯(lián)作用促成了包括高溫超導(dǎo)在內(nèi)的各種新奇的量子態(tài)。

此次，南京大學(xué)科研團(tuán)隊(duì)制備的鈣鈦礦二維材料，就是在二維體系中加入了電子間的強(qiáng)關(guān)聯(lián)作用，不同相互作用將產(chǎn)生不同電子特性，后續(xù)有望發(fā)現(xiàn)更豐富而有趣的強(qiáng)關(guān)聯(lián)二維量子現(xiàn)象。