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。
自從發現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
研究團隊此前發現，準穩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。研究中發現，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，發現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》上在線發表。【DOI】 https://doi.org/10.1038/s41467-024-49055-w
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