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，开启了之后20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。早在20世纪80年代，John W. Hutchinson博士和锁志刚博士理论上研究了在脆性材料中平行于表界面的裂纹扩展机制，有希望可以打破机械剥离对于弱“层间”相互作用的要求。
近日，北京大学材料科学与工程学院刘磊副教授课题组开发了一种发泡-剥离方法（授权专利：CN114853038B），通用制备多种亚十纳米厚度的二维非晶金属氧化物，包括单元和多元贫金属/过渡金属/镧系金属氧化物。通过将金属盐的热分解与水辅助发泡技术相结合，他们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了集中的剪切应力，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。(a) 过程示意图；(b—h) 结构表征
进一步研究发现，二维非晶金属氧化物可以被无损转移，作为一个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70mV dec-1的亚阈值摆幅和2.7mV (MV cm-1)-1的回滞。
图2 二维非晶金属氧化物的电学器件研究。(a—c) 范德华集成；(d—g) 器件应用
本研究实现了二维非晶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。
这项工作以“Mechanical exfoliation of non-layered metal oxides into ultrathin flakes”为题发表在Nature Synthesis。北京大学材料学院李锐杰博士，太原理工大学博士生药志鑫，北京大学材料学院博士生李镇江，中国科学院物理所博士生廖磊、孙华聪和北京大学工学院博士后从超男为该论文的共同第一作者。刘磊为论文的通讯作者。主要合作者包括北京大学物理学院王恩哥院士、刘开辉教授，北京科技大学张跃院士、廖庆亮教授，中国科学院物理研究所高鸿钧院士、鲍丽宏研究员，北京大学工学院韦小丁教授，北京理工大学洪家旺教授、王学云副教授，太原理工大学郭俊杰教授等。
该项工作得到了科技部、国家自然科学基金委和北京市杰出青年基金等项目大力支持。
