京都大学菅大介准教授、Yufan Shen博士课程学生、治田充贵准教授、岛川祐一教授的研究团队,与大江耕介客座研究员、小林俊介主任研究员、Xueyou Yuan名古屋大学特任助教、山田智明教授合作,成功地从二氧化铪锆(Hf0.5Zr0.5O2,HZO)制备出了厚度仅为1纳米(相当于两个晶格)的二维强铁电体。

自从发现由单层碳原子构成的石墨烯以来,具有原子层厚度的二维材料作为新型纳米材料备受关注,其材料开发和电子功能探索也在蓬勃开展。然而,广泛作为功能材料使用的氧化物等,由于其构成原子通过共价键或离子键三维“强烈”结合,因此从这种三维材料中制备二维材料一直被认为是困难的。

图 从三维材料二氧化铪锆制备二维强铁电体

研究团队此前发现,准稳定的菱面体晶结构强铁电相的二氧化铪锆(Hf0.5Zr0.5O2, HZO)可以在钙钛矿型锰氧化物La0.7Sr0.3MnO3(LSMO)上进行外延生长。研究中发现,LSMO能溶解于稀盐酸溶液中,而HZO几乎不溶。通过脉冲激光沉积法在钛酸锶(SrTiO3)基板上制备HZO/LSMO叠层结构后,将整个样品浸入稀盐酸溶液中,选择性地去除(蚀刻)HZO与基板之间的LSMO牺牲层。LSMO层溶解后,将HZO层从基板上剥离,得到HZO膜晶体。通过扫描透射电子显微镜(STEM)法观察到相当于两个晶格的1nm厚度的膜晶体,确认了强铁电相的菱面体晶结构得以保持。此外,极化测量显示在室温下其具有垂直方向的13µC/cm²的自发极化。这些结果表明,可以从三维材料二氧化铪锆中制备二维强铁电体。

该研究团队通过外延薄膜生长技术,制备了由牺牲层氧化物和厚度为1纳米的二氧化铪锆层叠而成的样品。然后,通过选择性去除(蚀刻)牺牲层,发现可以在保持厚度的情况下获得二氧化铪锆的膜状晶体。特性评估表明,所制备的膜状晶体在室温下具有垂直方向的自发极化。结果证明了可以从三维材料二氧化铪锆中制备二维强铁电体。开发的二维强铁电体可以转移到磁性体和超导体等各种功能性材料上。这一研究成果为结合强铁电体和功能性材料的强铁电设备开发提供了一条新的途径。

该研究成果已于2024年6月25日在国际学术期刊《Nature Communications》上在线发表。【DOI】 https://doi.org/10.1038/s41467-024-49055-w

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作者 gan, lanjie

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