據(jù)了解，由于具有優(yōu)異的可調控光電特性、以及相對較好的穩(wěn)定性，二維有機無機雜化鹵化物鈣鈦礦半導體在近年來受到了廣泛關注。

這類材料的最大特點便是它擁有雜化結構（即擁有有機無機三明治結構），因此可以將有機材料和無機材料的特性加以良好結合。

近年來，美國普渡大學竇樂添教授課題組一直致力于設計和合成新型二維鈣鈦礦材料、研究該類的基本性質、以及探索相關的光電器件應用。

圖 | 竇樂添（來源：竇樂添）

此前，該團隊曾率先提出“有機半導體插層鈣鈦礦的概念”，并將多種結構可控的共軛有機半導體單元，引入到這種雜化結構之中 [1]。

同時，他們注意到共軛有機分子之間的相互作用，能對二維鈣鈦礦的結晶過程和晶體生長過程起到較大的調節(jié)作用。

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

在近期一項研究中，他們原本計劃通過引入一種更強的分子間作用力——氫鍵，來進一步調節(jié)鈣鈦礦晶體的生長穩(wěn)定性和增強穩(wěn)定性。

通過此，他們設計并合成了一系列帶有羧基的有機分子，同時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于鈣鈦礦晶體生長和物理性質的影響。

果然，他們得到了高質量的單晶，并且確實觀測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)原本應該是薄片狀的二維晶體，全部生長成為一維針狀晶體。

起初，該團隊還以為這些針狀晶體并不是他們想要的二維鈣鈦礦結構。

但是，單晶 X 射線結構解析結果顯示：這些看似是一維針狀晶體的內部，竟然保持著二維鈣鈦礦的晶體結構，也就是說它們應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特的一維-二維混雜結構所吸引。

后來，通過調節(jié)有機分子中羧基和鹵原子取代基的位置，他們進一步優(yōu)化了一維納米晶體的生長，隨后幾乎定量得到了極高質量的二維鈣鈦礦納米線。

而通過研究晶體結構和晶體生長動力學，該團隊也闡明了這種獨特一維-二維混雜結構的生長機理。

同時，他們還針對納米線的光學性質進行初步研究。結果發(fā)現(xiàn)：電子-空穴對受限于二維量子限域，同時一維納米結構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：“我個人認為這個工作的意義在于：首先，在材料科學里將二維層狀材料生長成一維結構是一件很 challenging 的事情，我們的發(fā)現(xiàn)對于實現(xiàn)這種特殊結構提供了一種新思路和簡單有效的方法。

其次，這種一維-二維混雜結構的半導體材料已經(jīng)展現(xiàn)出獨特的光電特性，能為進一步的性質研究和器件應用打下良好的基礎。”

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

因此，這種新型半導體納米線激光器有望被用于光子電路和光子計算器、激光探測及測距系統(tǒng)、生物醫(yī)學探測和成像系統(tǒng)等領域。

（來源：Science）

日前，相關論文以《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]。

美國普渡大學博士后邵文豪、Jeong Hui Kim 是共同一作，竇樂添擔任通訊作者。

圖 | 相關論文（來源：Science）

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

一開始，他們設計了很多復雜的分子，不僅合成難度大而且非常耗時，做了很久也沒有太多進展。

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

雖然當時的主要項目沒有太多進展，但是竇樂添并沒有打斷這個 side project，并給予邵文豪一定的自由度來探索新的 idea。

但是，出于項目基金的壓力，竇樂添自己也保不準是否會在一段時間的探索以后，打斷這個“不重要”的方向。

幸運的是，他們很快看到了積極的結果，這讓他們堅信這個方向是值得探索的。

竇樂添說：“大約在 2022 年底，文豪在組會上 present 了很漂亮的針狀晶體光學照片時，我們不約而同地覺得應該把重點改為放在這個項目上，同時我們應該通過進一步的優(yōu)化，來得到更完美的納米線結構并探索其光學性質。”

自那之后，邵文豪的進展十分飛速，很快就優(yōu)化出了不錯的晶體形貌，并基本闡釋清楚了一維生長機理。

（來源：Science）

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

比如，設計更好的有機共軛分子，以便進一步增強納米線的激光性能和穩(wěn)定性。

比如，通過調節(jié)無機部分的成分和結構，以便調控發(fā)光波長，從而能在紫外區(qū)域和近紅外區(qū)域拓展材料的應用范疇。

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器、尤其是用于偏振光檢測。

當然，除了研究單根納米線之外，他們也希望實現(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現(xiàn)這個目標。”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

轉自：DeepTech深科技

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