Science Advances: 鈣鈦礦薄膜中二維限制的晶體結構

【引言】

2D體系中的長程有序和相轉變，例如磁性、超導性和結晶度，一直是近幾十年的研究熱點。隨著片狀剝離的原子尺度晶體的發展，2D晶體結構重新引起了更大關注，其中理解不同合成技術制備的晶相的方向限制性是設計低維材料的基礎。

【成果簡介】

近日，美國斯坦福大學Seung Sae Hong、Harold Y. Hwang(共同通訊作者)等人在Science Advances發表了題為“Two-dimensional limit of crystalline order in perovskite membrane films”的研究論文，報道了具有鈣鈦礦結構的SrTiO₃膜的2D晶體結構及其晶相轉變的最新研究成果。研究團隊首先利用脈沖激光沉積(PLD)的方法在SrTiO₃ (001)基體制備了SrTiO₃/Sr₃Al₂O₆膜，然后溶解Sr₃Al₂O₆層獲得原子尺度的SrTiO₃膜，并通過透射電子顯微鏡(TEM)研究了其晶體結構及轉變。研究結果表明盡管所有還未被剝離的SrTiO₃膜都是單晶結構，但被剝離后其厚度小于臨界厚度(5個單胞厚)時就會發晶格坍塌。結晶相干長度從代數關系向指數關系衰減的轉變類似于2D拓撲Berezinskii-Kosterlitz-Thouless(BKT)轉變，該轉變的驅動力是2D層-3D塊體界面的化學鍵合斷裂。對于從上至下(3D→2D)的低維材料制備工藝，界面鍵合斷裂是不可避免的，因此該研究對建立界面化學能和穩定2D晶體結構的普適關系具有重要意義。

【圖文導讀】

圖1 幾個單胞厚度的SrTiO₃膜的結構

(A)生長在SrTiO₃(001)基體的SrTiO₃/Sr₃Al₂O₆異質結構薄膜的示意圖。其中Sr₃Al₂O₆層在室溫下H₂O中溶解以獲得頂部的SrTiO₃層；

(B)在Si₃N₄ TEM格子(具有2μm直徑的孔)上的SrTiO₃膜(6個單胞厚)的光學照片。標尺：50μm；

(C)不同厚度SrTiO₃膜的HR-TEM圖。標尺：10nm。

圖2 結晶區的暗場TEM圖

(A) SrTiO₃膜的衍射花樣；

(B)不同厚度薄膜的暗場TEM圖。結晶區域為白色，標尺：10nm；

(C)有暗場TEM圖導出的空間關聯函數(G)計算的結晶相干長度(L)與厚度(d)的關系。插圖為關聯函數的原始數據。

圖3 SrTiO₃膜的反射式高能電子衍射花樣

上：SrTiO₃(001)基體上Sr₃Al₂O₆ 20nm膜上生長的不同厚度的SrTiO₃膜的反射式高能電子衍射(RHEED)花樣；

中：SrTiO₃(001)基體上Sr₃Al₂O₆ 5nm膜上生長的不同厚度的SrTiO₃膜的RHEED花樣；

下：轉移在Si/SiO₂基體上不同厚度的SrTiO₃膜的RHEED花樣。

圖4 SrTiO₃膜的2D晶相轉變

(A) 2D薄膜晶體結構的相圖；

(B)暗場TEM圖中位錯區半徑(r_d)與厚度(d)的關系。插圖是8個單胞厚薄膜的位錯區的HR-TEM圖；

(C)厚度在d_BKT以下的薄膜的結晶相關長度(L)與(d_BKT/d-1)^-ν的對數關系。插圖是結晶相關長度的臨界指數擬合，ν=-0.39。

圖5 界面鍵合斷裂限制的2D晶體結構相圖

【小結】

本文通過TEM手段研究了鈣鈦礦結構SrTiO₃膜的晶體結構及其轉變。研究結果表明2D體系晶體結構-無定型轉變遵循BKT模型，并由界面化學鍵合斷裂驅動。對2D晶體結構內在相圖的深入理解，為制備可控結晶度的2D材料提供了新的思路。

文獻鏈接：Two-dimensional limit of crystalline order in perovskite membrane films (Sci. Adv., 2017，DOI:?10.1126/sciadv.aao5173)

本文由材料人編輯部納米學術組Roay供稿，材料牛編輯整理。

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