1 月 16 日消息，據(jù)新華社昨日報道，中國科學技術大學張樹辰特任教授團隊聯(lián)合美國普渡大學、上?？萍即髮W的研究團隊在新型半導體材料領域取得突破性進展，成果已發(fā)表于《自然》。

聯(lián)合團隊首次在二維離子型軟晶格材料中，實現(xiàn)了面內(nèi)可編程、原子級平整的“馬賽克”式異質(zhì)結(jié)可控構(gòu)筑，為低維光伏材料的集成化與器件化開辟了全新路徑。

離子型軟晶格低維材料，尤其是二維有機–無機雜化鈣鈦礦，因其高光致發(fā)光量子產(chǎn)率以及可在低溫溶液條件下實現(xiàn)的大面積、工藝兼容制備，被廣泛認為是新一代電致發(fā)光與光電器件的重要候選體系。然而，現(xiàn)有研究與器件多依賴多晶薄膜結(jié)構(gòu)，其內(nèi)部普遍存在晶界缺陷、界面粗糙以及顯著的離子遷移行為，難以維持原子級結(jié)構(gòu)完整性，從而嚴重限制了載流子輸運效率及器件性能的進一步提升。

相比之下，二維鈣鈦礦薄層單晶在晶格完整性、缺陷密度和界面可控性方面具有天然優(yōu)勢，被視為突破上述瓶頸的理想平臺。然而，如何在二維鈣鈦礦單晶中實現(xiàn)高質(zhì)量、可控外延的橫向異質(zhì)結(jié)圖案化，同時保持界面原子級平整與晶格連續(xù)性，長期以來仍是該領域面臨的關鍵科學挑戰(zhàn)。

另一方面，對于具有長程有序結(jié)構(gòu)的單晶體系，晶格畸變不可避免地在晶體內(nèi)部積累內(nèi)應力。這種內(nèi)應力可在局域區(qū)域誘導能量不穩(wěn)定性，在特定化學環(huán)境中激活面內(nèi)點缺陷的產(chǎn)生與演化，從而為實現(xiàn)溫和、選擇性強的面內(nèi)刻蝕過程提供潛在物理基礎。然而，如何精準調(diào)控并利用這一內(nèi)應力效應，仍缺乏清晰的實驗路徑與機制認知。

▲ 內(nèi)應力驅(qū)動的二維鈣鈦礦面內(nèi)刻蝕與圖案化策略

在此基礎上，中國科學技術大學張樹辰特任教授進一步合作提出了一種基于配體輔助異丙醇（IPA）激活晶體內(nèi)應力的自刻蝕二維鈣鈦礦圖案化策略。研究首先通過界面法獲得大面積、超薄的二維鈣鈦礦單晶，隨后，在精心設計的配體–IPA 溶液體系中誘導晶體發(fā)生可控的面內(nèi)自刻蝕，形成規(guī)則取向的方形孔洞結(jié)構(gòu)。通過延長醇鏈（例如使用辛醇）有效降低溶解速率，使刻蝕過程更加溫和且可控；結(jié)合圖案化掩膜技術，還可進一步實現(xiàn)周期性陣列化結(jié)構(gòu)的構(gòu)筑。

▲ 二維鈣鈦礦面內(nèi)馬賽克異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)

高分辨透射電子顯微鏡（HRTEM）與幾何相位分析（GPA）結(jié)果表明，刻蝕后晶體內(nèi)部應變顯著釋放且分布趨于均勻；同時，實空間形變分析以及貫穿多層的刻蝕行為進一步證實了晶體內(nèi)應力在刻蝕過程中的主導作用。這些結(jié)果系統(tǒng)揭示了異丙醇–配體協(xié)同刻蝕的物理本質(zhì)，為二維鈣鈦礦的精細圖案化與結(jié)構(gòu)調(diào)控提供了新的機理基礎。進而，利用反溶劑誘導的快速側(cè)向外延策略，將不同鹵素組成的二維鈣鈦礦精準填充至刻蝕孔洞中，成功構(gòu)筑出馬賽克式面內(nèi)異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)。與傳統(tǒng)強溶劑處理或紫外光圖案化方法相比，該策略具有過程溫和、晶格無損傷等顯著優(yōu)勢，可獲得界面清晰、厚度均一且周期可設計的高質(zhì)量二維鈣鈦礦橫向異質(zhì)結(jié)構(gòu)。