京都大學菅大介準教授、Yufan Shen博士課程學生、治田充貴準教授、島川祐一教授的研究團隊，與大江耕介客座研究員、小林俊介主任研究員、Xueyou Yuan名古屋大學特任助教、山田智明教授合作，成功地從二氧化鉿鋯（Hf0.5Zr0.5O2，HZO）制備出了厚度僅為1納米（相當于兩個晶格）的二維強鐵電體。

自從發(fā)現(xiàn)由單層碳原子構成的石墨烯以來，具有原子層厚度的二維材料作為新型納米材料備受關注，其材料開發(fā)和電子功能探索也在蓬勃開展。然而，廣泛作為功能材料使用的氧化物等，由于其構成原子通過共價鍵或離子鍵三維“強烈”結合，因此從這種三維材料中制備二維材料一直被認為是困難的。

圖 從三維材料二氧化鉿鋯制備二維強鐵電體

研究團隊此前發(fā)現(xiàn)，準穩(wěn)定的菱面體晶結構強鐵電相的二氧化鉿鋯（Hf0.5Zr0.5O2, HZO）可以在鈣鈦礦型錳氧化物La0.7Sr0.3MnO3(LSMO)上進行外延生長。研究中發(fā)現(xiàn)，LSMO能溶解于稀鹽酸溶液中，而HZO幾乎不溶。通過脈沖激光沉積法在鈦酸鍶（SrTiO3）基板上制備HZO/LSMO疊層結構后，將整個樣品浸入稀鹽酸溶液中，選擇性地去除（蝕刻）HZO與基板之間的LSMO犧牲層。LSMO層溶解后，將HZO層從基板上剝離，得到HZO膜晶體。通過掃描透射電子顯微鏡（STEM）法觀察到相當于兩個晶格的1nm厚度的膜晶體，確認了強鐵電相的菱面體晶結構得以保持。此外，極化測量顯示在室溫下其具有垂直方向的13μC/cm2的自發(fā)極化。這些結果表明，可以從三維材料二氧化鉿鋯中制備二維強鐵電體。

該研究團隊通過外延薄膜生長技術，制備了由犧牲層氧化物和厚度為1納米的二氧化鉿鋯層疊而成的樣品。然后，通過選擇性去除（蝕刻）犧牲層，發(fā)現(xiàn)可以在保持厚度的情況下獲得二氧化鉿鋯的膜狀晶體。特性評估表明，所制備的膜狀晶體在室溫下具有垂直方向的自發(fā)極化。結果證明了可以從三維材料二氧化鉿鋯中制備二維強鐵電體。開發(fā)的二維強鐵電體可以轉移到磁性體和超導體等各種功能性材料上。這一研究成果為結合強鐵電體和功能性材料的強鐵電設備開發(fā)提供了一條新的途徑。

該研究成果已于2024年6月25日在國際學術期刊《Nature Communications》上在線發(fā)表。【DOI】 https://doi.org/10.1038/s41467-024-49055-w

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