结，结，结晶了！！西湖大学，Nature Synthesis！

文摘 2025-01-13 11:30 陕西

研究背景

钙钛矿作为一种新兴的半导体材料，凭借其优异的光电性能、丰富的化学可调性和溶液可加工性，已成为现代光电器件领域的重要研究热点。然而，在二维钙钛矿晶体的异质外延生长中，仍面临高相纯度、层厚控制以及界面质量等方面的严峻挑战。其中，二维钙钛矿的层厚（n值）直接决定其量子阱特性，对其电子和光学性能具有至关重要的影响。然而，由于高n值二维-二维钙钛矿异质结构在相纯度控制上的难度较大，且晶体形貌不规则，制备技术始终未能实现突破。

成果简介

基于此，西湖大学师恩政研究员、美国普渡大学窦乐添副教授、中国科学院化学研究所董际臣研究员等人合作提出了“动力学Wulff形态异质外延”策略，实现了二维钙钛矿异质结构的高纯相与层厚可控性，该研究以《Kinetic Wulff-shaped heteroepitaxy of phase-pure 2D perovskite heterostructures with deterministic slab thickness》为题，发表在《Nature Synthesis》期刊上。

西湖大学博士研究生夏明、助理研究员王天禹博士为本文第一作者！本研究得到了中国科学院化学所刘云圻院士、上海科技大学于奕教授等的大力支持与合作。

作者简介

师恩政，西湖大学工学院特聘研究员，助理教授，纳米半导体材料实验室负责人。主要研究方向为卤素钙钛矿半导体“加工-结构-性质“关系、软晶格半导体的异质集成、纳米超材料等。目前，以第一作者或通讯作者在Nature, Nature Nanotechnology, Nature Synthesis, Nature Communications, Science Advances等期刊发表多篇论文。

窦乐添，普渡大学化学工程系教授。2009-2014年，在加利福尼亚大学洛杉矶分校（UCLA）攻读博士学位，导师为光伏领域著名的杨阳教授；2014-2017年，在国际顶尖纳米材料课题组做博士后，导师为杨培东教授。于2017年加入普渡大学，并于2022年获得终身教职。研究兴趣包括混合材料、有机半导体、卤化物包光体的合成，以及相关的光电特性及其器件应用。目前，在Science，Nature Materials等期刊发表论文。

董际臣，中国科学院化学研究所研究员。董际臣研究员致力于二维纳米材料单晶的生长动力学、二维晶粒融合机制、大尺寸单晶二维纳米材料制备及低维纳米材料的力学及电学行为等方面开展了系统深入的工作，取得了系列重要进展。目前已在Nat. Synth., Nat. Commun., Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Mater., ACS nano等国际知名期刊发表论文。

研究亮点

1. 首次提出外延生长策略：通过动力学Wulff形态控制，实现了二维钙钛矿外延异质结构的高纯度和精准层厚调控。

2. 突破界面应力与晶格失配的限制：首次成功实现晶格失配高达11%以上的二维钙钛矿异质结构，保持其单晶特性与清晰界面。

3. 验证器件性能：开发出基于Pb-Sn二维钙钛矿异质结构的光电二极管，展现出高整流比及稳定的光电切换性能，展现其在低功耗开关和量子器件中的潜力。

图文导读

图1 二维卤化物钙钛矿外延异质结构的动力学Wulff形态异质外延生长

图1展示了二维钙钛矿外延异质结构的生长过程、结构表征及其动力学特性。图a通过示意图描述了从二维钙钛矿单晶种子到动力学Wulff形态异质结构的生长步骤，包括初始种子选择、机械剥离及异质外延生长。

图b展示了Pb基二维钙钛矿单晶的结构示意图。图c和d通过光学显微镜与光致发光（PL）图像分别展现了初始Pb晶片及Pb-Sn异质结构的形貌和光学特性。图e中的低倍透射电子显微镜（TEM）图像和选区电子衍射（SAED）图案表明了Pb和Sn域的清晰界面以及晶格匹配情况。图f–i展示了不同晶格失配（0%到11%以上）的二维Pb-Sn和Pb-Pb异质结构形貌，通过光学图像直观地表现了Wulff动力学生长控制的效果。图1全面揭示了动力学Wulff形态在二维钙钛矿外延异质结构生长中的关键作用和生长策略。

图2 可调层厚的二维卤化物钙钛矿外延异质结构的空间分辨表征与相纯性分析

图2通过空间分辨光致发光（PL）成像和光谱分析揭示了二维Pb-Sn钙钛矿异质结构的光学性能。图a–c展示了不同层厚（n=1、2、3）的Pb-Sn异质结构的光学图像及PL信号的空间分布。Pb域的PL发射波长主要集中在500–640 nm，而Sn域的发射位于610–780 nm，通过双通道PL图像清晰可见两者的界面信号。

PL光谱显示，Pb域和Sn域在异质结处形成了明显的光谱叠加，界面清晰且尖锐。图d–f进一步通过Kelvin探针力显微镜（KPFM）成像揭示了Pb和Sn区域间的表面电势差，其差异随着层厚（n值）变化而减小，从n=1的133 mV到n=3的60 mV。此外，X射线衍射（XRD）结果表明这些异质结构具有高度相纯性，进一步验证了生长过程中严格控制晶体质量和界面完整性的有效性。

图3 二维卤化物钙钛矿复杂异质结构

图3展示了通过动力学Wulff形态控制实现的复杂二维钙钛矿多域异质结构。图a和b展示了基于Pb-Sn-Pb及Pb-Sn-Pb-Sn的三域和四域结构，通过光学图像及PL成像清晰区分Pb和Sn域的分布和界面。PL图像显示，Pb域的PL信号在560–600 nm范围内，而Sn域位于680–720 nm，两者的光谱清晰分离，界面尖锐。子图c和d进一步探索了Sn为中心域的多异质结构的可控性，展示了将Sn域宽度精确调节至约25 nm（与常规半导体载流子的德布罗意波长相当）及Pb域窄至约35 nm的超窄域结构。超窄域的成功制备为二维钙钛矿异质结构在量子阱激光器和高电子迁移率晶体管中的应用开辟了新的可能性。

图4 利用单晶二维卤化物钙钛矿异质结构实现电流及光电开关功能

图4展示了Pb-Sn二维钙钛矿异质结构在光电器件中的应用。图a通过示意图展示了基于Pb-Sn异质结构的两端电极器件的设计，其中六方氮化硼（h-BN）用作绝缘层，石墨作为电极材料。图b为实际制备器件的光学图像。图c呈现了n=1、2、3异质结构的I-V曲线，表明其具有显著的整流特性，其中n=1的整流比最高，约为1000。图d和e分别展示了n=2异质结构的电流响应及光电开关特性，前者表现出稳定的电流整流行为，后者在周期性脉冲光照射下表现出稳定的开关响应（光电流在前向偏压下为7 nA，反向偏压下完全被抑制）。图4证明了Pb-Sn异质结构在低功耗光电开关和单向电流调控中的潜力。

结论展望

本研究通过动力学Wulff形态控制技术，成功构建了二维钙钛矿外延异质结构，并验证了其在光电器件中的潜在应用价值。通过进一步优化晶体生长条件与界面工程，开发更多复杂的多域结构及超晶格结构，可实现高性能量子器件的集成。此外，该策略的通用性为其他二维材料的外延生长提供了新思路，为二维半导体材料在光电、量子计算等领域的研究与应用奠定了坚实基础。

文献信息

Kinetic Wulff-shaped heteroepitaxy of phase-pure 2D perovskite heterostructures with deterministic slab thickness. Nature Synthesis, https://doi.org/10.1038/s44160-024-00692-5.

参考消息来源：西湖大学版权及免责声明：本公众号注明“原创”的文章，其他媒体可以转载，但转载时必须保持内容的完整性，且务必注明来源。本公众号所发表转载内容均会标明出处，其中部分素材来源于网络，转载内容只用于信息传播，仅供参考，不作为商业用途；转载内容的真实性、准确性和合法性由原作者负责；如有侵权，请联系删除

光储新势力

将以全面、准确、快速、客观的锚定光伏、储能等行业新动向！

最新文章

投资18亿！6GW光伏电池项目公示！

中国恩菲短流程钒储能电解液制备技术取得重大进展

2024年太阳能企业融资额下降24%，降至263亿美元

钙钛矿-CIGS叠层太阳能电池为卫星中使用的电动系统供电

从2024到2025：能源行业迈向高质量发展的关键阶段

压气储能产业化进程再提速

光伏资讯 | 通威第一！国内分布式组件出货排行榜

某上市公司百兆瓦级储能项目叫停

重磅预测！2035 年钙钛矿光伏年收入剑指 120 亿美元

首批业绩预告“大跳水”！已有光伏企业狂降3482%

19GWh，宁德时代斩获全球最大储能订单

新模型预测：2035 年太阳能将满足全球 50% 能源需求

光伏年报“第一雷” ！亿晶光电预亏20亿国资“白衣骑士”是否入场成悬念

科学引导新型储能健康发展

世界最大压缩空气储能设施在中国全面投入运营，开启能源存储新篇章

美国黑名单再扩容，5家中国光伏企业遭禁入美市场！

260亿元融资涌向储能，下一代电池技术火热！

辐射冷却可以提高光伏组件转换效率和延长使用寿命

阳光电源推出适用于工商业应用的新型逆变器

全球最大（1.2×1.6平米）一体化成型柔性钙钛矿光伏组件正式下线！

全国首台套35兆帕PEM电解槽及一体加氢制氢机设备下线

如何在平屋顶上部署东西朝向的太阳能阵列以实现更高的电力产出

2025 年锂离子电池价格会走向何方？

储能12个！国家能源局第四批储能首台（套）重大技术装备名单正式发布

光伏出清加速！21家光伏企业已被踢“出局”！

成本新标！美国制造的钙钛矿 - 硅叠层太阳能组件低至约 0.35 美元 / 瓦

储能集成第一股，来了！

结，结，结晶了！！西湖大学，Nature Synthesis！

世界首例！就在铜川开工

全球首座300兆瓦级压气储能电站全容量并网

隆基15GW单晶光伏项目延期！

总投资85亿！一期项目（12GW硅片+6GW组件）落户新疆塔城

韩国科学家研发出能量密度达 35.5 瓦时/千克的光伏供电超级电容器

湖北这个超级“充电宝”，何以创造三项世界纪录？

土地节约率可达25%以上！一道新能柔性支架解决山地光伏电站土地利用率痛点

协鑫集成：进军背接触业务，开启光伏新篇

太阳能伞&披风，光因携手安克开创钙钛矿商业化应用新篇章

超49GWh！亿纬锂能等3企扩产

中国海天集团将以 6.86 亿美元收购贺利氏光伏银浆业务

2025年全球储能需求将持续增长相关企业放眼全球加快创新

我国最大，投产发电！

JR Tokai将在子弹头列车隔音屏障上安装钙钛矿太阳能电池

全钒液流储能技术：开启能源存储新篇章

中国严寒地区首套大型全钒液流电池共享储能电站投产

NASA近距离观察中国的太阳能长城

BLS 计划建设一座 1 吉瓦的工厂生产电池驱动电解槽

黄河公司国家光伏储能实证实验平台（暖温带）获批

3.5%到39%，光伏将成为中国未来能源的主力！

京东方新能源战略迈出关键一步， 1.5亿成立能源科技公司聚焦光伏

TrendForce集邦咨询：2025年全球光伏新增装机达596GW，新兴市场表现亮眼

分类

时事

民生

政务

教育

文化

科技

财富

体娱

健康

情感

旅行

百科

职场

楼市

企业

乐活

学术

汽车

时尚

创业

美食

幽默

美体

文摘

原创标签

时事社会财经军事教育体育科技汽车科学房产搞笑综艺明星音乐动漫游戏时尚健康旅游美食生活摄影宠物职场育儿情感小说曲艺文化历史三农文学娱乐电影视频图片新闻宗教电视剧纪录片广告创意壁纸头像心灵鸡汤星座命理教育培训艺术文化金融财经健康医疗美妆时尚餐饮美食母婴育儿社会新闻工业农业时事政治星座占卜幽默笑话独立短篇连载作品文化历史科技互联网

发布位置

广东北京山东江苏河南浙江山西福建河北上海四川陕西湖南安徽湖北内蒙古江西云南广西甘肃辽宁黑龙江贵州新疆重庆吉林天津海南青海宁夏西藏香港澳门台湾美国加拿大澳大利亚日本新加坡英国西班牙新西兰韩国泰国法国德国意大利缅甸菲律宾马来西亚越南荷兰柬埔寨俄罗斯巴西智利卢森堡芬兰瑞典比利时瑞士土耳其斐济挪威朝鲜尼日利亚阿根廷匈牙利爱尔兰印度老挝葡萄牙乌克兰印度尼西亚哈萨克斯坦塔吉克斯坦希腊南非蒙古奥地利肯尼亚加纳丹麦津巴布韦埃及坦桑尼亚捷克阿联酋安哥拉