世界最薄钙钛矿二维材料问世

近日，国际顶级期刊《自然》杂志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。

钙钛矿型材料在太阳能电池和发光二极管中拥有巨大应用潜力，一直是材料科学研究中的明星。近几年研究发现，在可再生能源转换方面，钙钛矿材料同样表现出色。

当前，可再生能源正在高速发展，其转换和利用涉及多个方面，如光伏(将太阳能转化为电能)，电催化(将电能转化为化学能)，光催化(将太阳能转化为化学能)等。这些技术的大规模应用对功能材料的性质提出了挑战。

想要实现大规模电解水制氢，需要高效析氧反应催化剂，而标准化的析氧反应催化剂IrO2,RuO2都很昂贵，因此寻找廉价、稳定、环境友好的新型析氧反应催化剂材料成为产业化应用的关键;在光催化或光电催化分解水方面，高效稳定的n型光阳极材料目前还很缺乏，许多非氧化物阳极材料(比如III-V族半导体)在水溶液环境下很不稳定，而常见的氧化物又很难在可见光下展现出高效的太阳能产氢效率;光伏过程对材料本身光学和电学性质要求较高，一般需要有合适带隙(1.0-1.6eV)，吸光性强，载流子迁移率大、寿命长等特点。

以上三种能源转换过程涉及到物理机制各不相同，因此对材料性质的要求也不相同。然而，氧化物钙钛矿及其衍生物材料却能在这三方面都有应用，已经成为能源转换材料的研究热点。

发表在《自然》上的研究成果，是由南京大学、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。

他们成功制备的原子层厚度的氧化物钙钛矿二维材料具有非凡的电子特性，例如高温超导性等，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。

他们的研究启发自石墨烯材料。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，原子层厚度的超薄二维材料仍是没有攻克的难题。

据南京大学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。

作为南京大学团队成员，聂越峰教授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。

此次，南京大学科研团队制备的钙钛矿二维材料，就是在二维体系中加入了电子间的强关联作用，不同相互作用将产生不同电子特性，后续有望发现更丰富而有趣的强关联二维量子现象。