斯坦福大学今日nature:层状钙钛矿异质结的定向自组装

原创 CYM 材料人

【引言】

石墨烯和MoS₂等不同二维（2D）结构的精确堆叠重新激发了2D材料发展，从而进一步揭示了它们界面上的独特现象。这些独特的界面通常使用机械或基于沉积的方法，以一次构建一个单层的方式来构建异质结。层状异质结的批量合成几乎完全使用高温固态合成技术，可以从中分离出金属氧化物，硫化物，磷化物和卤化物基材料。这些材料通过一种称为共生的过程形成，即一种结构在另一种结构表面的结晶。然而，发现的这些材料的结构多样性是有限的，每种结构都是来自有限反应空间。相比之下，层状有机-无机卤化物钙钛矿以其结构可调性和低温合成而闻名。在层状钙钛矿中，有机或无机离子通常是烷基铵阳离子，通过形成有机双层来分隔钙钛矿片。通过调整有机阳离子的结构，可以预测合成大量的卤化物钙钛矿。自组装是一种可扩展的技术，其中复杂的材料可以在溶液中选择性地形成。

今日，美国斯坦福大学Hemamala I. Karunadasa教授（通讯作者）展示了一种在水溶液中将层状钙钛矿-非钙钛矿异质结自组装成大单晶的合成策略。使用双功能有机分子作为导向基团，作者分离出了六层异质结，其形状为具有不同无机晶格的钙钛矿板的交错，这也是以前未知的钙钛矿晶体。在许多情况下，这些共生晶格是典型无机结构类型的二维同系物。研究表明，这些化合物是第一个使用有机模板形成的层状钙钛矿异质结，并通过单晶X射线衍射表征得到验证。值得注意的是，这种无机结构的交错可以显著改变能带结构。光学数据和第一性原理计算表明，钙钛矿和共生层之间的实质性耦合，导致分布在两个亚晶格上的新电子跃迁。鉴于卤化物钙钛矿的技术前景，这种直观的合成路线为在水中自组装，从而定向合成结构丰富的复杂半导体奠定了基础。相关研究成果以“Directed assembly of layered perovskite heterostructures as single crystals”为题发表在Nature上。