據(jù)了解，由于具有優(yōu)異的可調(diào)控光電特性、以及相對(duì)較好的穩(wěn)定性，二維有機(jī)無(wú)機(jī)雜化鹵化物鈣鈦礦半導(dǎo)體在近年來受到了廣泛關(guān)注。

這類材料的最大特點(diǎn)便是它擁有雜化結(jié)構(gòu)（即擁有有機(jī)無(wú)機(jī)三明治結(jié)構(gòu)），因此可以將有機(jī)材料和無(wú)機(jī)材料的特性加以良好結(jié)合。

近年來，美國(guó)普渡大學(xué)竇樂添教授課題組一直致力于設(shè)計(jì)和合成新型二維鈣鈦礦材料、研究該類的基本性質(zhì)、以及探索相關(guān)的光電器件應(yīng)用。

圖 | 竇樂添（來源：竇樂添）

此前，該團(tuán)隊(duì)曾率先提出“有機(jī)半導(dǎo)體插層鈣鈦礦的概念”，并將多種結(jié)構(gòu)可控的共軛有機(jī)半導(dǎo)體單元，引入到這種雜化結(jié)構(gòu)之中 [1]。

同時(shí)，他們注意到共軛有機(jī)分子之間的相互作用，能對(duì)二維鈣鈦礦的結(jié)晶過程和晶體生長(zhǎng)過程起到較大的調(diào)節(jié)作用。

并且，這種分子之間的相互作用，能對(duì)中間的鈣鈦礦層起到很好的保護(hù)作用，從而能夠極大提高鈣鈦礦層的穩(wěn)定性。

在近期一項(xiàng)研究中，他們?cè)�本�?jì)劃通過引入一種更強(qiáng)的分子間作用力——氫鍵，來進(jìn)一步調(diào)節(jié)鈣鈦礦晶體的生長(zhǎng)穩(wěn)定性和增強(qiáng)穩(wěn)定性。

通過此，他們?cè)O(shè)計(jì)并合成了一系列帶有羧基的有機(jī)分子，同時(shí)試圖將它們引入到二維鈣鈦礦之中，以便研究分子間氫鍵對(duì)于鈣鈦礦晶體生長(zhǎng)和物理性質(zhì)的影響。

果然，他們得到了高質(zhì)量的單晶，并且確實(shí)觀測(cè)到了分子間氫鍵的存在，所制備材料的穩(wěn)定性也得到了一定提升。

但是，出人意料的是他們發(fā)現(xiàn)原本應(yīng)該是薄片狀的二維晶體，全部生長(zhǎng)成為一維針狀晶體。

起初，該團(tuán)隊(duì)還以為這些針狀晶體并不是他們想要的二維鈣鈦礦結(jié)構(gòu)。

但是，單晶 X 射線結(jié)構(gòu)解析結(jié)果顯示：這些看似是一維針狀晶體的內(nèi)部，竟然保持著二維鈣鈦礦的晶體結(jié)構(gòu)，也就是說它們應(yīng)該還保有二維鈣鈦礦的光電性能和穩(wěn)定性。

這讓課題組一下子就被這種獨(dú)特的一維-二維混雜結(jié)構(gòu)所吸引。

后來，通過調(diào)節(jié)有機(jī)分子中羧基和鹵原子取代基的位置，他們進(jìn)一步優(yōu)化了一維納米晶體的生長(zhǎng)，隨后幾乎定量得到了極高質(zhì)量的二維鈣鈦礦納米線。

而通過研究晶體結(jié)構(gòu)和晶體生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)，該團(tuán)隊(duì)也闡明了這種獨(dú)特一維-二維混雜結(jié)構(gòu)的生長(zhǎng)機(jī)理。

同時(shí)，他們還針對(duì)納米線的光學(xué)性質(zhì)進(jìn)行初步研究。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：電子-空穴對(duì)受限于二維量子限域，同時(shí)一維納米結(jié)構(gòu)能夠形成很好的共振腔，這讓納米線表現(xiàn)出偏振光發(fā)射、以及低閾值光放大受激發(fā)射。

竇樂添表示：“我個(gè)人認(rèn)為這個(gè)工作的意義在于：首先，在材料科學(xué)里將二維層狀材料生長(zhǎng)成一維結(jié)構(gòu)是一件很 challenging 的事情，我們的發(fā)現(xiàn)對(duì)于實(shí)現(xiàn)這種特殊結(jié)構(gòu)提供了一種新思路和簡(jiǎn)單有效的方法。

其次，這種一維-二維混雜結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體材料已經(jīng)展現(xiàn)出獨(dú)特的光電特性，能為進(jìn)一步的性質(zhì)研究和器件應(yīng)用打下良好的基礎(chǔ)。”

他表示，本次雜化材料不僅具備獨(dú)特的光電性能，并且具備較低的制備成本和加工成本（可溶液加工）。

因此，這種新型半導(dǎo)體納米線激光器有望被用于光子電路和光子計(jì)算器、激光探測(cè)及測(cè)距系統(tǒng)、生物醫(yī)學(xué)探測(cè)和成像系統(tǒng)等領(lǐng)域。

（來源：Science）

日前，相關(guān)論文以《層狀鹵化物鈣鈦礦納米線的分子模板》（Molecular templating of layered halide perovskite nanowires）為題發(fā) Science[1]。

美國(guó)普渡大學(xué)博士后邵文豪、Jeong Hui Kim 是共同一作，竇樂添?yè)?dān)任通訊作者。

圖 | 相關(guān)論文（來源：Science）

據(jù)了解，起初邵文豪的課題是通過設(shè)計(jì)更好的鈣鈦礦發(fā)光材料，來增強(qiáng)發(fā)光二極管器件的性能。

一開始，他們?cè)O(shè)計(jì)了很多復(fù)雜的分子，不僅合成難度大而且非常耗時(shí)，做了很久也沒有太多進(jìn)展。

而使用氫鍵作用來調(diào)控分子間作用只是一個(gè)“side project”，完全出于邵文豪的好奇心。

雖然當(dāng)時(shí)的主要項(xiàng)目沒有太多進(jìn)展，但是竇樂添并沒有打斷這個(gè) side project，并給予邵文豪一定的自由度來探索新的 idea。

但是，出于項(xiàng)目基金的壓力，竇樂添自己也保不準(zhǔn)是否會(huì)在一段時(shí)間的探索以后，打斷這個(gè)“不重要”的方向。

幸運(yùn)的是，他們很快看到了積極的結(jié)果，這讓他們堅(jiān)信這個(gè)方向是值得探索的。

竇樂添說：“大約在 2022 年底，文豪在組會(huì)上 present 了很漂亮的針狀晶體光學(xué)照片時(shí)，我們不約而同地覺得應(yīng)該把重點(diǎn)改為放在這個(gè)項(xiàng)目上，同時(shí)我們應(yīng)該通過進(jìn)一步的優(yōu)化，來得到更完美的納米線結(jié)構(gòu)并探索其光學(xué)性質(zhì)。”

自那之后，邵文豪的進(jìn)展十分飛速，很快就優(yōu)化出了不錯(cuò)的晶體形貌，并基本闡釋清楚了一維生長(zhǎng)機(jī)理。

（來源：Science）

同時(shí)，這個(gè)工作也帶來了很多新可能。因此，他們還有很多后續(xù)計(jì)劃等待開展。

比如，設(shè)計(jì)更好的有機(jī)共軛分子，以便進(jìn)一步增強(qiáng)納米線的激光性能和穩(wěn)定性。

比如，通過調(diào)節(jié)無(wú)機(jī)部分的成分和結(jié)構(gòu)，以便調(diào)控發(fā)光波長(zhǎng)，從而能在紫外區(qū)域和近紅外區(qū)域拓展材料的應(yīng)用范疇。

再比如，除了用于打造納米激光器之外，這類材料還有希望用于光檢測(cè)器、尤其是用于偏振光檢測(cè)。

當(dāng)然，除了研究單根納米線之外，他們也希望實(shí)現(xiàn)大規(guī)模納米線陣列和 on chip integration。

“所以我們非常歡迎與更多的器件工程師和電子工程師合作來實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)。”竇樂添最后表示。

參考資料：

1.Nat Chem 2019；Nat Sci Rev 2021

2.https://www.science.org/doi/10.1126/science.adl0920

轉(zhuǎn)自：DeepTech深科技

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