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明尼苏达大学双城分校领导的一个团队开发了第一种突破性的方法，可以更容易地以原子精确的方式合成的“顽固”金属，制造出高质量的金属氧化物薄膜。这项研究为科学家开发更好的材料用于各种下一代应用铺平了道路，包括量子计算、微电子、传感器和能源催化。

研究人员的论文发表在《自然纳米技术》上。51漫画

该论文的高级作者、明尼苏达大学化学工程与材料科学系教授兼壳牌主席Bharat Jalan说：“这确实是一个了不起的发现，因为它揭示了一种无与伦比的简单方法，可以利用外延应变的力量在原子尺度上进行材料合成。这一突破代表着一项重大进展，在广泛的领域具有深远的影响。它不仅提供了一种实现量子材料原子级精确合成的方法，而且还具有在各种应用中控制氧化还原途径的巨大潜力，包括电池或燃料电池中发生的催化和化学反应。”

“顽固”金属氧化物，如基于钌或铱的金属氧化物，在量子信息科学和电子学的许多应用中发挥着至关重要的作用。然而，由于使用高真空工艺氧化金属的固有困难，将它们转化为薄膜对研究人员来说一直是一个挑战。

几十年来，这些材料的制造一直困扰着材料科学家。虽然一些研究人员已经成功地实现了氧化，但迄今为止使用的方法成本高昂、不安全，或者导致材料质量差。

明尼苏达大学研究人员的解决方案？伸展一下。

在试图使用传统的分子束外延合成金属氧化物时，研究人员偶然发现了一个突破性的发现。分子束外延是一种在超高真空室中产生单层材料的低能技术。他们发现，引入一种名为“外延应变”的概念——在原子水平上有效地拉伸金属——可以显著简化这些顽固金属的氧化过程。

该论文的第一作者、明尼苏达大学化学工程博士生Sreejith Nair说：“这使得在超高真空环境中从顽固金属中产生技术上重要的金属氧化物成为可能，这是一个长期存在的问题。目前的合成方法有局限性，我们需要找到新的方法来进一步推动这些局限性，这样我们才能制造出质量更好的材料。我们在原子尺度上拉伸材料的新方法是提高当前技术性能的一种方法。”

尽管明尼苏达大学团队在本文中以铱和钌为例，但他们的方法有可能生成任何难以氧化的金属的原子级精确氧化物。凭借这一突破性发现，研究人员旨在帮助全世界的科学家合成这些新型材料。

研究人员与奥本大学、特拉华大学、布鲁克黑文国家实验室、阿贡国家实验室的合作者以及明尼苏达大学化学工程与材料科学系教授Andre Mkhoyan的实验室密切合作，验证了他们的方法。

Mkhoyan解释道：“当我们使用非常强大的电子显微镜仔细观察这些金属氧化物膜时，我们捕捉到了原子的排列并确定了它们的类型。它们很好地周期性排列，就像它们应该在这些结晶薄膜中一样。”

这项研究主要由美国能源部（DOE）、空军科学研究办公室（AFOSR）和明尼苏达大学材料研究科学与工程中心（MRSEC）资助。

除了Jalan、Nair和Mkhoyan，研究团队还包括明尼苏达大学双城分校的研究人员Zhifei Yang、Dooyong Lee和Silu Guo；布鲁克黑文国家实验室研究员Jerzy Sadowski；奥本大学的研究人员Spencer Johnson、Ryan Comes和Wencan Jin；特拉华大学的研究人员Abdul Saboor和Anderson Janotti；以及阿贡国家实验室的研究人员Yan Li和Hua Zhou。部分工作是在明尼苏达大学的表征设施进行的。

这项研究于5月22日发表在《自然纳米技术》期刊上。

doi:10.1038/s41565-023-01397-0