【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】2004年，Andre K. Geim博士和Konstantin S. Novoselov博士利用機(jī)械剝離法得到單原子層厚度的石墨烯，開啟了之后20年的二維材料研究熱潮。作為二維材料的通用制備方法，機(jī)械剝離法的受眾是本征的層狀晶體；對(duì)于非層狀的、z方向具備連續(xù)化學(xué)成鍵物質(zhì)的機(jī)械減薄，目前依然沒有通用的方法。早在20世紀(jì)80年代，John W. Hutchinson博士和鎖志剛博士理論上研究了在脆性材料中平行于表界面的裂紋擴(kuò)展機(jī)制，有希望可以打破機(jī)械剝離對(duì)于弱“層間”相互作用的要求。
 

　　近日，北京大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院劉磊副教授課題組開發(fā)了一種發(fā)泡-剝離方法(授權(quán)專利：CN114853038B)，通用制備多種亞十納米厚度的二維非晶金屬氧化物，包括單元和多元貧金屬/過渡金屬/鑭系金屬氧化物。通過將金屬鹽的熱分解與水輔助發(fā)泡技術(shù)相結(jié)合，他們獲得了大長徑比的片層；利用膠帶剝離這些片層即可產(chǎn)生獨(dú)立、自支撐的二維薄片。進(jìn)一步的理論研究表明，在機(jī)械剝離過程中，彎矩可以在事先存在的幾何缺陷上引入了集中的剪切應(yīng)力，從而產(chǎn)生裂紋。裂紋通過縱向截面?zhèn)鞑?，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)厚度減薄，產(chǎn)生更薄的二維薄片。
 

　　圖1 二維非晶金屬氧化物的機(jī)械剝離制備。(a) 過程示意圖；(b—h) 結(jié)構(gòu)表征
 

　　進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，二維非晶金屬氧化物可以被無損轉(zhuǎn)移，作為一個(gè)構(gòu)建單元和二維半導(dǎo)體實(shí)現(xiàn)范德華集成，形成3D-2D異質(zhì)結(jié)，并實(shí)現(xiàn)了70mV dec-1的亞閾值擺幅和2.7mV (MV cm-1)-1的回滯。
 

　　圖2 二維非晶金屬氧化物的電學(xué)器件研究。(a—c) 范德華集成；(d—g) 器件應(yīng)用
 

　　本研究實(shí)現(xiàn)了二維非晶金屬氧化物的通用機(jī)械剝離制備，并拓展其在二維范德華異質(zhì)結(jié)電學(xué)器件中的應(yīng)用。該工作為研究無襯底限制的超薄金屬氧化物本征性質(zhì)提供了一個(gè)平臺(tái)，并為基于金屬氧化物的二維功能器件提供了新的思路和方法。
 

　　這項(xiàng)工作以“Mechanical exfoliation of non-layered metal oxides into ultrathin flakes”為題發(fā)表在Nature Synthesis。北京大學(xué)材料學(xué)院李銳杰博士，太原理工大學(xué)博士生藥志鑫，北京大學(xué)材料學(xué)院博士生李鎮(zhèn)江，中國科學(xué)院物理所博士生廖磊、孫華聰和北京大學(xué)工學(xué)院博士后從超男為該論文的共同第一作者。劉磊為論文的通訊作者。主要合作者包括北京大學(xué)物理學(xué)院王恩哥院士、劉開輝教授，北京科技大學(xué)張躍院士、廖慶亮教授，中國科學(xué)院物理研究所高鴻鈞院士、鮑麗宏研究員，北京大學(xué)工學(xué)院韋小丁教授，北京理工大學(xué)洪家旺教授、王學(xué)云副教授，太原理工大學(xué)郭俊杰教授等。
 

　　該項(xiàng)工作得到了科技部、國家自然科學(xué)基金委和北京市杰出青年基金等項(xiàng)目大力支持。