他，手握3篇Nature/Science，回国即任北大研究员/博导，再发Nature大子刊！

顶刊收割机 · 公众号 · · 2024-10-06 08:18

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成果简介

层状晶体的剥离可以产生多种二维（2D）材料和异质结构，但是由于Z-方向连续键合，非分层材料的微机械切割成2D薄片仍然具有挑战性。基于此， 北京大学刘磊研究员（通讯作者）等人 报道了一种机械剥离方法，用于生产自支撑式的2D金属氧化物薄片。通过同步金属盐的热分解和水助成型，作者合成了以非晶态和晶态金属氧化物（AMOs和CMOs）为母材的大宽高比片层，并且可以剥离成超薄薄片。自支撑式的、可转移的特点允许室温集成高- k 金属氧化物片作为顶栅介电体在2D材料晶体管。

此外，作者利用双功能铬（Cr）掺杂AlO _x 薄片作为门控介质和元件，利用光子编程浮栅效应对可见光进行传感和存储，展示了传感器内计算装置。本研究结果为研究无衬底夹紧的超薄金属氧化物的基本特性提供了一个平台，并为基于金属氧化物的功能器件铺平了道路。

相关工作以《Mechanical exfoliation of non-layered metal oxides into ultrathin flakes》为题在《Nature Synthesis》上发表。

刘磊，北京大学材料科学与工程学院特聘研究员、博士生导师。2012.07，中国科学院物理研究所博士毕业，2017.08，北京大学材料科学与工程学院特聘研究员、博士生导师，2024.01，获长聘副教授、博士生导师。

图文导读

超薄AMO薄片的合成包括两个步骤：水辅助、低温煅烧金属盐以制备3D泡沫中的大尺寸非晶态（α-）片层，然后将AMO片层机械剥离成薄片。在金属盐水合物的热分解过程中，水的气泡会释放大量的气体，极大地改变产品的形态，使多孔的AMO泡沫含有2D-状的薄片，而不是在缺水的情况下形成传统的粉末。非水合硝酸铝（ANN）的热分解同时进行，使金属氧化物的生长遇到水鼓泡，产生具有宏观到微观孔洞的α-AlO _x 泡沫。α-AlO _x 泡沫的扫描电镜（SEM）图像显示，氧化层具有高度的表面光滑度和高宽高比，厚度为几微米，横向尺寸可达数百微米。

图1.发泡-剥离法制备AMO薄片

图2.发泡-剥离-衍生的AMO薄片库

通过提高煅烧温度（ T _cal ）来提高结晶度，作者进一步证明了通过这种发泡-剥离工艺制备CMO薄片。除了7种具有高玻璃片层形成能力的金属氧化物外，作者将发泡-剥离-衍生的CMO薄片库扩展到另外6种金属氧化物，总共13种CMOs，这些金属氧化物具有自支撑式的平面薄片。SAED结果显示出多组具有扭曲角度的衍射斑点，表明多晶特征。在一块剥离的HfZrO薄片上随机取4个周期的相位和幅度曲线的磁滞回线，其矫顽力场为1.19 MV cm ^-1 。

图3.原始CMO薄片库

原子力显微镜（AFM）表征显示，组装后α-AlO _x 薄片上没有明显的污染、高度变化或褶皱。双门控2D材料场效应晶体管（FETs）通过转移AMO或CMO片作为顶栅电介质是可行的。横切扫描TEM（STEM）表征显示，MoS ₂ 通道和顶AMO电介质之间有约1 nm宽的间隙。c-ZrO ₂ 薄片，在 V _ds =0.4 V时，观察到电流的开/关比（离子/关）超过1×10 ⁸ 。在较大的 V _ds 范围内（0.1-0.5 V），发现SS值小至70 mV dec ^-1 ，迟滞宽度为2.7 mV (mV cm ^-1 ) ^-1 ，这两个值都属于单层MoS ₂ FETs的最佳值，表明超低界面阱密度（ D _it ≈7.6×10 ¹¹ cm ^-2 eV ^-1 ）和低近界面边界阱。

图4.剥离AMO/CMO薄片的范德华力及其电子应用

文献信息

他，手握3篇Nature/Science，回国即任北大研究员/博导，再发Nature大子刊！

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