【儀表網 研發快訊】2004年，Andre K. Geim博士和Konstantin S. Novoselov博士利用機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，機械剝離法的受眾是本征的層狀晶體；對于非層狀的、z方向具備連續化學成鍵物質的機械減薄，目前依然沒有通用的方法。早在20世紀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展機制，有希望可以打破機械剝離對于弱“層間”相互作用的要求。
 

　　近日，北京大學材料科學與工程學院劉磊副教授課題組開發了一種發泡-剝離方法(授權專利：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泡技術相結合，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生獨立、自支撐的二維薄片。進一步的理論研究表明，在機械剝離過程中，彎矩可以在事先存在的幾何缺陷上引入了集中的剪切應力，從而產生裂紋。裂紋通過縱向截面傳播，進而實現厚度減薄，產生更薄的二維薄片。
 

　　圖1 二維非晶金屬氧化物的機械剝離制備。(a) 過程示意圖；(b—h) 結構表征
 

　　進一步研究發現，二維非晶金屬氧化物可以被無損轉移，作為一個構建單元和二維半導體實現范德華集成，形成3D-2D異質結，并實現了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器件研究。(a—c) 范德華集成；(d—g) 器件應用
 

　　本研究實現了二維非晶金屬氧化物的通用機械剝離制備，并拓展其在二維范德華異質結電學器件中的應用。該工作為研究無襯底限制的超薄金屬氧化物本征性質提供了一個平臺，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。
 

　　這項工作以“Mechanical exfoliation of non-layered metal oxides into ultrathin flakes”為題發表在Nature Synthesis。北京大學材料學院李銳杰博士，太原理工大學博士生藥志鑫，北京大學材料學院博士生李鎮江，中國科學院物理所博士生廖磊、孫華聰和北京大學工學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物理學院王恩哥院士、劉開輝教授，北京科技大學張躍院士、廖慶亮教授，中國科學院物理研究所高鴻鈞院士、鮑麗宏研究員，北京大學工學院韋小丁教授，北京理工大學洪家旺教授、王學云副教授，太原理工大學郭俊杰教授等。
 

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