非层状金属氧化物机械剥离为超薄二维薄片
2024年10月3日，北京大学材料科学与工程学院刘磊副教授与合作者在Nature Synthesis期刊上发表了一篇题为“Mechanical exfoliation of non-layered metal oxides into ultrathin flakes”的研究成果。
该成果报道了一种利用胶带机械剥离法获取二维金属氧化物的通用方法，实现了多种自支撑的二维非晶、多晶和单晶金属氧化物片层的制备，并展示其无损转移和与二维半导体的范德华集成。
论文第一作者是李锐杰、药志鑫、李镇江、廖磊、孙华聪和从超男；通讯作者是刘磊。
2004年Andre K. Geim博士和Konstantin S. Novoselov博士利用机械剥离法得到单原子层厚度的石墨烯（注：这一工作2010年获得了诺贝尔物理学奖），开启了之后二十年的二维材料研究热潮。作为二维材料的通用制备方法，机械剥离法的受众是本征的层状晶体；对于非层状的、z方向具备连续化学成键物质的机械减薄，目前依然没有通用的方法。作为一个有趣的科学问题，它早在上世纪80年代已经引起科学家的关注，如John W. Hutchinson博士和锁志刚博士在理论上开始研究在脆性材料中平行于表界面的裂纹扩展机制；而实验上探索三维材料减薄机制的工作鲜有进展。
近日，北京大学材料科学与工程学院刘磊课题组开发了一种发泡-剥离方法（授权专利：CN 114853038 B），通用制备多种的二维金属氧化物，包括单元和多元贫金属/过渡金属/镧系金属氧化物，厚度最薄至亚十纳米。通过将金属盐的热分解与水辅助发泡技术相结合，获得了大长径比的片层；利用胶带剥离这些片层即可产生独立、自支撑的二维薄片。进一步的理论研究表明，在机械剥离过程中，弯矩可以在事先存在的几何缺陷上引入集中的剪切应力，从而产生裂纹。裂纹通过纵向截面传播，进而实现厚度减薄，产生更薄的二维薄片。
图1：二维非晶金属氧化物的机械剥离制备。图片来源：Nature Synthesis
进一步研究发现，二维金属氧化物可以被无损转移，作为一个具备功能性（如high-k）的构建单元和二维半导体实现范德华集成，形成3D-2D异质结，并实现了70 mV dec-1的亚阈值摆幅和2.7 mV (MV cm-1)-1回滞的器件表现。
图2：二维非晶金属氧化物的电学器件研究。图片来源：Nature Synthesis
该研究打破了机械剥离对于弱“层间”相互作用的要求，实现了二维金属氧化物的通用机械剥离制备，并拓展其在二维范德华异质结电学器件中的应用。该工作为研究无衬底限制、自支撑的超薄金属氧化物本征性质提供了一个平台，并为基于金属氧化物的二维功能器件提供了新的思路和方法。（来源：科学网）