2D晶體膜很容易由某些材料制成，但不能從具有強3D晶格的材料制成，例如技術(shù)上有用的鈣鈦礦氧化物。最終制成了獨立的鈣鈦礦單層膜?？茖W經(jīng)常受益于極端的發(fā)現(xiàn)。一旦我們證明了極端的存在，它就可以幫助我們建立解釋科學現(xiàn)象的模型。在材料科學領(lǐng)域，一個突出的實驗目標是以基本的最小厚度制備技術(shù)上有用的過渡金屬氧化物片，例如鈣鈦礦。在自然界的一篇論文中，Ji等人。圖1報道了鈣鈦礦氧化物鈦酸鍶(SrTiO3)和鉍鐵氧體(BiFeO3)的第一種這樣的片材的制備，并提供了它們的性質(zhì)的一瞥。

許多技術(shù)上有益的材料是結(jié)晶的，包括過渡金屬氧化物。晶體中的原子或分子順序由晶胞限定，晶胞是晶體結(jié)構(gòu)的最小重復單元。例如，在鈦酸鍶的情況下，單元電池是具有約0.4納米長2的邊緣的立方體。這代表了可以用這種材料制成的物體(2D板，1D棒或0D'點')的最小可能長度或厚度 - 因此納米技術(shù)人員感興趣，他們試圖減小材料的尺寸以尋找以前看不見的屬性和功能。

有時，大自然通過生產(chǎn)本質(zhì)上分層且在層之間具有弱結(jié)合的結(jié)晶材料為納米技術(shù)人員提供幫助。2D片材可以或多或少地自發(fā)地從這些材料中分離(剝離) - 如最著名的2D材料石墨烯的情況，石墨烯是從石墨中剝離的。自2004年諾貝爾獎獲得者對石墨烯的分離和表征3已發(fā)現(xiàn)數(shù)百種其他二維材料令科學家和工程師著迷。該清單包括單元素材料和化合物，涵蓋了從金屬導體到半導體和絕緣體的各種電氣特性。絕大多數(shù)這些2D材料來自具有弱鍵合層的母體材料，包括過渡金屬二硫化物4(一種充分表征的半導體類)和某些氧化物5。

但在大多數(shù)結(jié)晶材料中，原子或分子之間的鍵合是各向同性的(在所有維度上具有相同的強度)。因此，這些材料自發(fā)形成3D物體，這使得制造準2D片材變得相當困難。制造這些材料的超薄片材的唯一可行方法是在另一種結(jié)晶起始材料的平坦表面上沉積薄膜，并在原子水平上實時監(jiān)測該過程。如果生長的薄膜的單元電池與基板的單元電池對齊，則稱其為外延的。

對于氧化物，由于對具有高溫超導性的銅氧化物(銅酸鹽)進行了深入研究，這種技術(shù)在20世紀80年代末和90年代初期開始實現(xiàn)。這些銅酸鹽具有分層結(jié)構(gòu)，但是牢固地結(jié)合在一起，因此科學家通過在外延薄膜中設(shè)計層來探索它們的超導性6。由于成分過渡金屬離子8中的電子 - 電子相關(guān)性(相互作用)，鈣鈦礦氧化物顯示出多種潛在有用的物理效應，包括多鐵性行為和巨磁電阻7。到目前為止，這些性質(zhì)通常在生長在基底上的薄膜中進行研究。

Ji等。現(xiàn)在報道，可以使用最先進的薄膜制造技術(shù)(稱為分子束外延(MBE))和先前開發(fā)的用于去除薄膜的方法9的組合來制造獨立式鈣鈦礦氧化物薄膜。來自基材(圖1)。作者使用MBE將鈣鈦礦和水溶性緩沖層的超薄外延層“噴涂”到基板上，使緩沖層夾在鈣鈦礦氧化物和基板之間。所得到的鈣鈦礦氧化物膜的厚度可以控制在原子水平。

圖1 |單層鈣鈦礦薄膜的合成。a，Ji等。圖1已經(jīng)使用稱為分子束外延(MBE)的已建立的技術(shù)結(jié)合先前報道的用于從基板分離材料薄膜的方法9制備了最薄的兩個鈣鈦礦氧化物半導體的自支撐片。作者使用MBE將鈣鈦礦氧化物半導體的超薄層“噴涂”到結(jié)晶基底表面上的水溶性材料的緩沖層上。b，Ji及其同事可以通過將緩沖層溶解在水中來釋放超薄鈣鈦礦薄膜，同樣顯著地，可以使用聚合物支撐物將其轉(zhuǎn)移到其他基材(包括一些含有孔的基材，如圖所示)。他們還以原子分辨率(未顯示)對其橫截面進行成像。研究結(jié)果表明，與人們的想法相反，可以制造出獨立的鈣鈦礦單層膜。

作者通過將緩沖層溶解在水中，從基板上釋放出方毫米大小的單晶鈣鈦礦氧化物薄膜，然后將它們轉(zhuǎn)移到各種其他基底上，例如含有微米級孔的碳基底。值得注意的是，整個過程可以生產(chǎn)接近厚度極限的薄膜 - 一個單元電池。研究人員使用掃描透射電子顯微鏡研究了這種膜，這是一種可以解析單個原子并定量確定其位置的成像技術(shù)。有趣的是，他們觀察到鉍鐵氧體薄膜經(jīng)歷意外的相變以形成不同的晶格。

Ji及其同事的研究結(jié)果表明，鈣鈦礦氧化物的自立式薄膜可以制成厚度小于先前提出的臨界極限10，低于該臨界極限10，認為薄膜的晶格會崩潰。對于那些使用2D材料的人來說，一個長期存在的問題是，是否需要最小厚度來穩(wěn)定晶體的順序。新發(fā)現(xiàn)表明，獨立式鈣鈦礦氧化物薄膜不需要這樣的最小厚度。

這項工作提出了許多問題。Ji和同事們展示了許多可能的鈣鈦礦氧化物中只有兩個典型例子的方法，這就提出了這樣一個問題：它對其他氧化物有多廣泛的適用性以及這些系統(tǒng)中可能出現(xiàn)的新現(xiàn)象。此外，既然已經(jīng)表明鈣鈦礦氧化物顯然不需要具有基本的最小厚度，則還應該探索制造這些材料的薄膜的其他制造方法。

獨立式薄膜是研究某些材料特性的理想平臺，例如僅在材料被限制在一定數(shù)量的尺寸內(nèi)時發(fā)生的相變，或者在沒有基底的情況下的納米級彈性。獨立式樣品特別適用于以透射模式工作的分析研究(例如，光，X射線或電子通過樣品進行分析)，因為缺少基板可防止不需要的背景信號正在生產(chǎn)，可能會干擾標本的信號。Ji及其同事的工作也開辟了二維鈣鈦礦氧化物的技術(shù)潛力，因為它們現(xiàn)在可以通過石墨烯等固有層狀材料的方式進行廣泛研究。