在层状类钙钛矿结构Sr2TiO4中实现了准二维电子液体

我校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、微结构科学与技术协同创新中心的聂越峰教授与美国康奈尔大学以及以及意大利CNR-SPIN合作,在复杂氧化物准二维电子液体研究方面取得重要进展,其研究成果
《Formation and Observation of a Quasi-Two-Dimensional dxy Electron
Liquid in Epitaxially Stabilized Sr2−xLaxTiO4 Thin
Films》于8月28日发表于《物理评论快报》(Physical Review Letters, 115,
096405 , DOI: 10.1103/PhysRevLett.115.096405)。
聂越峰教授为该论文的第一作者,文章第一单位为南京大学,通讯作者为康奈尔大学Kyle
Shen教授,通讯单位为康奈尔大学物理系。

氧化物钙钛矿二维薄膜的制备与转移示意图;不同晶向亚原子分辨结构表征;氧化物钙钛矿二维材料中的丰富强关联二维量子态展望南京大学聂越峰教授课题组采用分子束外延技术对非层状结构的氧化物钙钛矿材料进行单原子层精度的生长与转移,结合王鹏教授课题组的透射电子显微镜的结构分析,成功制备出基于氧化物钙钛矿体系的新颖二维材料。由于氧化物钙钛矿体系具有优异的电子特性,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。6月6日,该成果以《单层氧化物钙钛矿二维晶体膜的实现》为题发表在《自然》杂志上。目前已知二维材料,无论是机械剥离还是人工生长,都依赖于其特殊的层状结构特性及原子层间的弱键合作用。尽管非层状结构的氧化物钙钛矿体系由于电子的强关联效应呈现出极为丰富的物理和化学特性及其丰富多彩的量子现象,其原子层厚度的超薄二维材料的制备仍然是有待攻克重大难题。据研究团队带头人潘晓晴解释,课题组采用了一种叫分子束外延的薄膜生长技术来制备氧化物钙钛矿二维材料。通过改进原位监控技术与采用高精度的逐层生长方法,成功实现了超薄氧化物钙钛矿薄膜的制备与转移的突破,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实现了二维极限下电镜样品制备、层数标定和精细晶体结构表征,直接观测到钙钛矿BiFeO3薄膜在二维极限下出现若干新颖现象。这样重大突破性工作的实现得益于先进的分子束外延薄膜生长技术与亚原子分辨电子显微分析技术的有机结合及研究人员之间的密切合作。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。实现钙钛矿二维材料,在二维体系中加入这种电子间的强关联作用,有望获得更丰富而有趣的强关联二维量子现象及应用。王鹏表示,高分辨电子显微镜技术在钙钛矿氧化物二维材料的发现过程中发挥了重要作用,这大大得益于最近十年来球差校正技术和先进表征方法的飞速发展。我们相信,在微观尺度上该二维材料中将有更多有趣和新颖的物理现象等待我们探索和发现。这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的研究人员合作完成。论文链接:

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过渡金属氧化物中因电子间的关联相互作用可形成丰富而新奇的量子现象,比如庞磁阻及零电阻的高温超导态等。在薄膜与界面的准二维结构中,因维度的限制可形成更为丰富的物理现象,比如近年来新发现的在绝缘体LaAlO3/SrTiO3界面中的二维电子气以及单层FeSe/SrTiO3薄膜中的高温超导态。这些二维电子态具有优异的物理性质,比如二维电子气中较高的电子迁移率以及FeSe/SrTiO3中较高的超导相变温度等。然而,这些物理现象的内在物理机理还并不清楚,是近年来凝聚态物理领域的研究热点。

北京时间6月6日南京大学聂越峰教授课题组研究成果以《单层氧化物钙钛矿二维晶体膜的实现》为题发表在国际顶级期刊Nature。南京大学聂越峰教授课题组采用分子束外延技术对非层状结构的氧化物钙钛矿材料进行单原子层精度的生长与转移,结合王鹏教授课题组的透射电子显微镜的结构分析,成功制备出基于氧化物钙钛矿体系的新颖二维材料。由于氧化物钙钛矿体系具有优异的电子特性,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。

南京大学,康奈尔大学以及意大利CNR-SPIN的合作研究团队利用自身在复杂氧化物分子束外延薄膜制备以及原位电子结构测量方面的积累和领先优势,另辟蹊径,在层状类钙钛矿结构Sr2TiO4中实现了准二维电子液体。实验发现电子-声子耦合作用与掺杂离子缺陷之间存在很强的相互作用,导致了量子化的半局域二维电子态。该研究成果为解释LaAlO3/SrTiO3二维电子气中载流子浓度远低于理论预测值的成因提供了一个可能的机理解释。另外,该工作观测到Sr2TiO4电子态中的电子-声子耦合现象对利用层状类钙钛矿结构材料体系探索单层FeSe薄膜的高温超导相变机理具有重要的启发意义。

这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-林肯大学的研究人员合作完成。据研究团队带头人潘晓晴教授介绍,自2004年石墨烯被发现以来,以其为代表的各类二维原子晶体材料由于具有丰富多样的物理、化学性质以及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。目前已知二维材料,无论是机械剥离还是人工生长,都依赖于其特殊的层状结构特性及原子层间的弱键合作用。尽管非层状结构的氧化物钙钛矿体系由于电子的强关联效应呈现出极为丰富的物理和化学特性及其丰富多彩的量子现象,其原子层厚度的超薄二维材料的制备仍然是有待攻克重大难题。

该项工作得到中组部“青年千人”计划,人工微结构科学与技术协同创新中心、科技部国家重点基础研究发展计划支持。

2016年,斯坦福大学Harold
Huang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。

据潘晓晴解释,区别于斯坦福课题组所采用的脉冲激光沉积技术,聂越峰教授课题组采用了一种叫分子束外延的薄膜生长技术来制备氧化物钙钛矿二维材料。通过改进原位监控技术与采用高精度的逐层生长方法,成功实现了超薄氧化物钙钛矿薄膜的制备与转移的突破,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实现了二维极限下电镜样品制备、层数标定和精细晶体结构表征,直接观测到钙钛矿BiFeO3薄膜在二维极限下出现若干新颖现象。这样重大突破性工作的实现得益于先进的分子束外延薄膜生长技术与亚原子分辨电子显微分析技术的有机结合及研究人员之间的密切合作。

氧化物钙钛矿二维薄膜的制备与转移示意图;不同晶向亚原子分辨结构表征;氧化物钙钛矿二维材料中的丰富强关联二维量子态展望

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。实现钙钛矿二维材料,在二维体系中加入这种电子间的强关联作用,有望获得更丰富而有趣的强关联二维量子现象及应用。

王鹏表示,高分辨电子显微镜技术在钙钛矿氧化物二维材料的发现过程中发挥了重要作用,这大大得益于最近十年来球差校正技术和先进表征方法的飞速发展。“我们相信,在微观尺度上该二维材料中将有更多有趣和新颖的物理现象等待我们探索和发现。”

南京大学现代工程与应用科学学院博士研究生季殿祥与蔡嵩骅为论文的共同第一作者,聂越峰、王鹏与潘晓晴教授为论文共同通讯作者。合作团队学术带头人潘晓晴为美国加州大学尔湾分校的Henry
Samueli 讲席教授兼南京大学客座教授。美国内布拉斯加-林肯大学的E.Y.
Tsymbal教授课题组和加州大学尔湾分校的潘晓晴教授课题组参与了本项目的合作研究。本工作还得到团队顾正彬副教授在样品制备、材料系吴迪教授在PFM样品表征方面的支持。本工作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热情鼓励和大力支持。2016年该中心正式启动,旨在量子材料的微结构与物性方面的研究和面向新一代功能材料和器件的探索和开发。

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