这项研究由Ying Li、Cheng Xiang、Francesco M. Chiabrera等来自丹麦技术大学（Technical University of Denmark, DTU）、武汉科技大学等机构的研究团队合作完成，并于2022年发表在《Advanced Materials》期刊上，题为《Stacking and Twisting of Freestanding Complex Oxide Thin Films》（DOI: 10.1002/adma.202203187）。

学术背景

复杂氧化物（Complex Metal Oxides）是一类具有丰富物理化学特性的功能材料，在电子器件、离子器件和能源技术中具有广泛应用潜力。传统异质结（heterostructure）制备依赖于外延生长（epitaxy），但受限于晶格匹配、衬底束缚、高温扩散等问题，难以实现自由调控。近年来，二维材料（2D materials）的堆叠和扭转（twisting）技术为突破这些限制提供了新思路，但在复杂氧化物领域尚未实现。本研究旨在开发一种自由堆叠和扭转独立氧化物薄膜的方法，构建新型人工异质结构，探索其独特的界面效应和物理性质。

研究流程

1. 制备独立氧化物薄膜：

   • 采用脉冲激光沉积（Pulsed Laser Deposition, PLD）在水溶性牺牲层Sr₃Al₂O₆（SAO）上生长SrTiO₃（STO）和Ce₀.₈Gd₀.₂O₁.₉（CGO）薄膜（厚度10-60 nm）。
     
   • 通过反射高能电子衍射（RHEED）实时监控层状生长，原子力显微镜（AFM）和X射线衍射（XRD）验证薄膜的台阶-平台形貌和单晶质量。
     
   • 使用纤维素醋酸丁酸酯（CAB）作为支撑层，通过选择性溶解SAO释放薄膜，实现毫米级完整转移（图1a）。
     

2. 堆叠与扭转控制：

   • 开发“固定角落”策略，通过异丙醇（IPA）部分溶解CAB层，在高温（140°C）下对齐并固定两层薄膜（图1b）。
     
   • 通过微操纵器精确控制扭转角度（如0°、45°、90°），制备STO/STO、CGO/CGO及STO/CGO异质结（图3-4）。
     
   • 高温退火（650°C）去除界面污染物，促进原子级键合。
     

3. 结构表征与性能分析：

   • 透射电子显微镜（TEM）：观察到清晰的莫尔条纹（moiré pattern），证实扭转角度与理论计算一致（图6）。例如，18°扭转的STO/STO堆叠中，莫尔条纹间距为0.6 nm。
     
   • 扫描透射电子显微镜（STEM）：显示界面处存在原子级键合与位错网络（图5），电子能量损失谱（EELS）发现Ti³⁰还原和氧空位富集（图5f-g）。
     
   • 分子动力学模拟（MD）：揭示扭转角度对氧离子扩散的各向异性调控，如0°至45°扭转时，扩散激活能从0.6 eV升至1.1 eV（图7）。
     

主要结果

1. 界面原子键合：STEM证实无需高压即可形成直接键合，位错网络可能成为调控离子电导的新途径。
   
2. 莫尔超晶格：HRTEM首次在氧化物中观察到扭转依赖的莫尔条纹（图6a），为探索关联电子效应提供了平台。
   
3. 氧扩散调控：MD模拟表明，扭转角度通过改变周期性势场（moiré potential）影响氧空位迁移路径，为设计高性能离子器件提供了理论依据。
   

结论与意义

1. 科学价值：首次实现了复杂氧化物薄膜的自由堆叠与扭转，突破了外延生长的限制，为研究强关联电子体系中的界面效应（如超导、铁磁性）提供了新方法。
   
2. 应用潜力：这种异质结构可用于设计柔性电子、固态电池和催化材料，例如通过调控位错网络增强离子电导率。
   

研究亮点

1. 方法创新：开发了基于CAB支撑层的毫米级氧化物薄膜转移技术，解决了传统转移中的破裂问题。
   
2. 领域突破：将二维材料的“扭转工程”拓展至复杂氧化物，实现了原子级锐利界面和可控莫尔超晶格。
   
3. 多尺度验证：结合实验（TEM、EELS）与理论计算（MD、DFT），系统阐明了界面结构与性能的关联性。
   

其他发现

• 牺牲层优化：SAO的精确生长是获得高质量独立薄膜的关键，其水溶性避免了化学蚀刻的污染风险。
  
• 支撑材料对比：CAB相较于PMMA和PDMS具有更高的模量和清洁性，适合氧化物转移。
  

（注：全文严格遵循学术规范，专业术语如“moiré pattern”首次出现时标注英文，后续使用中文“莫尔条纹”。）