南京大學聶越峰教授課題組采用分子束外延技術對非層狀結構的氧化物鈣鈦礦材料進行單原子層精度的生長與轉移，結合王鵬教授課題組的透射電子顯微鏡的結構分析，成功制備出基于氧化物鈣鈦礦體系的新穎二維材料。由于氧化物鈣鈦礦體系具有優異的電子特性，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。6月6日，該成果以《單層氧化物鈣鈦礦二維晶體膜的實現》為題發表在《科學》雜志上。
目前已知二維材料，無論是機械剝離還是人工生長，都依賴于其特殊的層狀結構特性及原子層間的弱鍵合作用。盡管非層狀結構的氧化物鈣鈦礦體系由于電子的強關聯效應呈現出極為豐富的物理和化學特性及其豐富多彩的量子現象，其原子層厚度的超薄二維材料的制備仍然是有待攻克重大難題。
據研究團隊帶頭人潘曉晴解釋，課題組采用了一種叫分子束外延的薄膜生長技術來制備氧化物鈣鈦礦二維材料。通過改進原位監控技術與采用高精度的逐層生長方法，成功實現了超薄氧化物鈣鈦礦薄膜的制備與轉移的突破，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實現了二維極限下電鏡樣品制備、層數標定和精細晶體結構表征，直接觀測到鈣鈦礦BiFeO3薄膜在二維極限下出現若干新穎現象。這樣重大突破性工作的實現得益于先進的分子束外延薄膜生長技術與亞原子分辨電子顯微分析技術的有機結合及研究人員之間的密切合作。
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。實現鈣鈦礦二維材料，在二維體系中加入這種電子間的強關聯作用，有望獲得更豐富而有趣的強關聯二維量子現象及應用。
王鵬表示，高分辨電子顯微鏡技術在鈣鈦礦氧化物二維材料的發現過程中發揮了重要作用，這大大得益于最近10年來球差校正技術和先進表征方法的飛速發展。“我們相信，在微觀尺度上該二維材料中將有更多有趣和新穎的物理現象等待我們探索和發現。”
這項研究成果由南京大學、美國加州大學爾灣分校和美國內布拉斯加-林肯大學的研究人員合作完成。
