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。
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。2010年获得山东大学学士学位，2015年获得北京大学博士学位，之后在美国爱荷华州立大学（2015-2017年）和普渡大学（2017-2020年）进行博士后研究。2020年10月全职加入西湖大学工学院。曾入选2022年度“麻省理工科技评论35岁以下科技创新35人”亚太区榜单，2021年度“中国新锐十大科技人物”。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；曾担任期刊Science Bulletin, Carbon Energy等期刊青年编委。
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.
