发布时间：2024-06-12 15:47:44 栏目：精选知识
钙钛矿是材料科学中最热门的研究课题之一。最近，由 香港理工大学应用物理学系材料物理及化学讲座教授兼全球 STEM 教授陆建平教授、该系助理教授凌嘉琪博士，以及博士后研究员兼研究论文第一作者崔华燮博士领导的研究团队，解决了合成全有机二维钙钛矿的古老难题，将该领域拓展到令人兴奋的二维材料领域。这一突破开辟了二维全有机钙钛矿的新领域，对基础科学和潜在应用都大有裨益。这项以“分子级薄的二维全有机钙钛矿”为题的研究最近发表于知名期刊《 科学》上。
钙钛矿因其结构与矿物钙钛矿相似而得名，因其迷人的特性而闻名，可应用于太阳能电池、照明和催化等广泛领域。钙钛矿的基本化学式为 ABX3，能够通过调节 A 和 B 阳离子以及 X 阴离子进行精细调节，为高性能材料的开发铺平了道路。
虽然钙钛矿最初被发现是一种无机化合物，但 Loh 教授的团队将注意力集中在新兴的全有机钙钛矿上。在这个新家族中，A、B 和 X 成分是有机分子，而不是像金属或氧这样的单个原子。使用有机成分创建三维 (3D) 钙钛矿的设计原理最近才被确定。值得注意的是，全有机钙钛矿与全无机钙钛矿相比具有明显的优势，因为它们可溶液加工且灵活，从而能够实现具有成本效益的制造。此外，通过操纵晶体的化学成分，可以精确设计有价值的电磁特性，例如介电特性，这些特性可用于电子和电容器。
传统上，研究人员在合成全有机 3D 钙钛矿方面面临挑战，因为适合晶体结构的有机分子选择有限。认识到这一限制，卢教授和他的团队提出了一种创新方法：以 2D 层而不是 3D 晶体的形式合成全有机钙钛矿。该策略旨在克服大分子带来的限制，并促进更广泛的有机离子的结合。预期的结果是这些材料中出现了新颖和非凡的特性。
为了验证他们的预测，该团队开发了一种新型的层状有机钙钛矿。按照钙钛矿的命名惯例，他们将其命名为“Choi-Loh-v 相”(CL-v)，以纪念 Choi 博士和 Loh 教授。这些钙钛矿由分子薄层组成，这些薄层由将石墨层结合在一起的力结合在一起，即所谓的范德华力，因此 CL-v 中的“v”为“v”。与之前研究的混合 2D 钙钛矿相比，CL-v 相通过在晶胞中添加另一个 B 阳离子来稳定，其通式为 A2B2X4。
研究团队利用溶液相化学制备了一种称为 CMD-N-P2 的 CL-v 材料，其中 A、B 和 X 位分别由 CMD(氯化环状有机分子)、铵和 PF6− 离子占据。在低温下进行的高分辨率电子显微镜证实了预期的晶体结构。这些分子厚度的二维有机钙钛矿与传统的三维矿物有着根本的不同，它们是二维单晶，可以剥离成只有几纳米厚的六角形薄片——比人的头发细 20,000 倍。
二维有机钙钛矿的溶液可加工性为其在二维电子器件中的应用提供了激动人心的机会。理大团队对 CL-v 相的介电常数进行了测量，得到的值范围从 4.8 到 5.5。这些值超过了二氧化硅和六方氮化硼等常用材料的介电常数。这一发现为将 CL-v 相作为介电层纳入二维电子设备开辟了一条有希望的途径，因为这些设备通常需要具有高介电常数的二维介电层，而这种层通常很稀缺。团队成员冷博士成功解决了将二维有机钙钛矿与二维电子器件相结合的挑战。在他们的方法中，CL-v 相被用作顶部栅极介电层，而通道材料则由原子级厚度的硫化钼组成。通过利用 CL-v 相，晶体管实现了对源极和漏极之间电流的卓越控制，超越了传统氧化硅介电层的能力。Loh
教授的研究不仅建立了一种全新的全有机钙钛矿，还展示了如何结合先进的制造技术对其进行溶液处理，以提高 2D 电子设备的性能。这些发展为创建更高效、用途更广泛的电子系统开辟了新的可能性。
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