近日，國際頂級期刊《自然》雜志發表了南京大學科研團隊與國外研究機構合作的一項成果，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關聯二維量子現象的大門。

微信圖片_20190611095619

鈣鈦礦型材料在太陽能電池和發光二極管中擁有巨大應用潛力，一直是材料科學研究中的明星。近幾年研究發現，在可再生能源轉換方面，鈣鈦礦材料同樣表現出色。

當前，可再生能源正在高速發展，其轉換和利用涉及多個方面，如光伏(將太陽能轉化為電能)，電催化(將電能轉化為化學能)，光催化(將太陽能轉化為化學能)等。這些技術的大規模應用對功能材料的性質提出了挑戰。

想要實現大規模電解水制氫，需要高效析氧反應催化劑，而標準化的析氧反應催化劑IrO2,RuO2都很昂貴，因此尋找廉價、穩定、環境友好的新型析氧反應催化劑材料成為產業化應用的關鍵;在光催化或光電催化分解水方面，高效穩定的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族半導體)在水溶液環境下很不穩定，而常見的氧化物又很難在可見光下展現出高效的太陽能產氫效率;光伏過程對材料本身光學和電學性質要求較高，一般需要有合適帶隙(1.0-1.6eV)，吸光性強，載流子遷移率大、壽命長等特點。

以上三種能源轉換過程涉及到物理機制各不相同，因此對材料性質的要求也不相同。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用，已經成為能源轉換材料的研究熱點。

發表在《自然》上的研究成果，是由南京大學、美國加州大學爾灣分校和美國內布拉斯加-林肯大學研究人員合作完成。

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，例如高溫超導性等，有望成為在能源和量子計算等領域中應用的多功能高科技器件的潛在構建模塊。

他們的研究啟發自石墨烯材料。2004年，俄裔英國物理學家安德烈?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。從那時起，以石墨烯為代表的二維材料，憑借其優異的電子特性和廣闊的電子應用前景而引起了科學家的極大興趣。在石墨烯出現后，各種單層二維材料如雨后春筍般不斷涌現，但是，原子層厚度的超薄二維材料仍是沒有攻克的難題。

據南京大學研究團隊帶頭人潘曉晴教授介紹，自石墨烯被發現以來，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器件等領域的廣泛應用前景而受到人們極大的關注。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。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HaroldHuang課題組利用脈沖激光沉積技術在水溶性材料過渡層上生長鈣鈦礦氧化物薄膜，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，他們在嘗試制備只有原子層厚度的超薄二維材料時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。

作為南京大學團隊成員，聶越峰教授課題組采用了一種分子束外延的薄膜生長技術，獲得原子層厚度的高質量氧化物鈣鈦礦二維材料。王鵬教授課題組利用多種先進球差校正透射電子顯微鏡結構分析技術，直接觀測到鈣鈦礦BiFeO3(鉍鐵氧體)薄膜在二維極限下出現若干新穎現象。

據聶越峰介紹，電子在材料中的運動形式決定了材料的性能。在石墨烯等傳統二維材料中，電子的運動相對自由，不太受其他電子的影響;而在很多氧化物鈣鈦礦材料中，電子之間存在很強的相互作用，正是這種電子間的強關聯作用促成了包括高溫超導在內的各種新奇的量子態。

此次，南京大學科研團隊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關聯作用，不同相互作用將產生不同電子特性，后續有望發現更豐富而有趣的強關聯二維量子現象。