金松成分（金松最新NatureNanotechnology）

▲第一作者：Dongxu Pan

通讯作者：Yongping Fu, John C. Wright & Song Jin

通讯单位：Department of Chemistry, UniverSity of Wisconsin-Madison, Madison, WI, USA

DOI：10.1038/s41565-020-00802-2

Ruddlesden-Popper（RP）卤化钙钛矿作为一类新型的可调谐二维半导体，其无限异质结构配置为潜在光电应用的开发提供了无限可能。其通式为(LA)2(A)n-1PbnX3n 1，其中LA是长链烷基铵阳离子、A是如甲基铵（MA）和甲酰胺（FA）等小阳离子、X是卤化物阴离子、n为整数。它们的晶体结构由[(A)n-1PbnX3n 1] 2-无机骨架的堆叠2D层组成，其电荷由层间空间中的有机LA阳离子平衡。这些结构可视为天然的多层量子阱，由于层间阳离子的介电常数低，驻留在孔中的激子经历了库仑相互作用的增强，激子结合能高达几百毫电子伏特。RP钙钛矿独有的这种固有量子和介电限制，除了依赖于组分的带隙外，还可以在分子水平上进行调节。这使得RP钙钛矿成为了一种多样且用途广泛的用于探索激子物理和高性能光电器件的2D材料平台。

然而，由于难以实现直接可控地合成，或范德华卤化物钙钛矿易移动且易碎的晶格使得这种异质结构的实际实现十分具有挑战性。

1、提出了一种浮选溶液生长方法，用于合成各种大面积原子级厚的2D RP卤化铅钙钛矿纳米片，实验表明这些纳米片还可以被可靠地转移并堆叠成具有干净界面的2D垂直异质结构。

2、这些进展允许制造具有控制电子结构的、更大组成自由度（卤化物阴离子、n值、LA和A阳离子）的、任意垂直异质结构卤化钙钛矿。

3、电子结构（n值和卤化物阴离子）和介电环境（LA阳离子）的可调谐性使观察层间载流子转移和PL线宽变窄成为可能，并使这些RP钙钛矿异质结构成为探索如激子-激子相互作用和激子玻色-爱因斯坦凝聚等激子物理学的新型多功能通用平台。

4、这项工作可以访问基于RP钙钛矿的各种2D构建模型库，标志着制造人造半导体量子阱异质结构的一项重要技术突破。

5、它还为研究这些异质结构的内在特性和不寻常的光物理特性，并最终开发高性能光电应用打开了新的大门。

▲图1. 不同相2D RP钙钛矿大面积纳米片的浮选生长

要点：

1、作者开发了一种简单但通用的在前体溶液液滴的空气-溶液界面处结晶生长的方法。

2、实现了各种大面积纯相RP钙钛矿纳米片的直接合成生长，同时实现了薄至单原子厚度纳米片的可控制备。

3、在使横向生长最大化的同时实现单层或几层厚度的关键是保持适当的过饱和度，这可以通过调整每种前体的浓度和冷却溶液的温度来仔细优化。

4、通过改变前体溶液中的(LA)X、AX和PbX2的化学计量比，能够合成各种RP钙钛矿相的薄片。

▲图2. 浮选RP钙钛矿薄片的拾取和转移到Si/SiO2衬底后的表征

要点：

1、作者提出了一种成功转移和堆叠这些纳米片的可靠方法。这种软转移方法可将它们转移到包括玻璃、石英和Si/SiO2在内的任意基板上，而不会影响纳米片的结构完整性。

2、尽管钙钛矿易碎、特别是原子层厚时，但转移的片仍保持完整，表面在几十微米的范围内看起来清洁、光滑且无液体。

3、结果表明，直接生长的纳米片比通常带有许多碎片和松散颗粒的RP钙钛矿片状薄片更具有优势。

▲图3. 几种垂直异质结构二维RP钙钛矿的制备和表征

要点：

1、便捷而可靠的转移技术允许通过顺序转移和堆叠过程确定性地制造任意垂直异质结构，并在光学显微镜下实现控制排列。

2、使用不同卤化物阴离子、n相、LA或A阳离子组成的RP钙钛矿创建一系列垂直异质结构。

3、能够用所需的n相（带隙）、厚度（颜色强度）和序列组装任意的RP相，异质结构的均匀PL证实了堆叠后两个量子阱的完整性。

4、当在室温下保存在干燥器中时，制备获得的2D异质结在数周内稳定。

▲图4. (BA)2PbI4 /(BA)2(MA)2Pb3I10 /(BA)2(MA)Pb2I7多异质结构的制备和表征

要点：

1、通过原始界面组装任意RP钙钛矿相的能力使我们能够通过对其电子结构进行合理控制来制造复杂的多异质结构。

2、可以在完全控制组成和顺序的情况下组装RP钙钛矿的多异质结构，该方法还允许将2D RP钙钛矿与常规2D材料（如石墨烯、六方氮化硼或TMD）集成在一起。

3、惰性更高的2D材料还可以用作封装层，以保护钙钛矿层。

原文链接：

https://www.nature.com/articles/s41565-020-00802-2

作者介绍

金松

金松教授，1997年本科毕业于北京大学，2002年博士毕业于美国康奈尔大学（导师Francis J. DiSalvo），随后以博士后的身份加盟哈佛大学与著名的纳米科学家Charles M. Lieber 院士开展研究，现在就职于美国威斯康星大学麦迪逊分校。金松教授主要的研究方向为纳米材料，包括硅、氧化物、钙钛矿的合成研究。注重揭示材料物理与化学性能、材料的生长规律，及其在能源转化、光电器件的应用研究。目前发表文章200余篇，7项专利，获得NSFCAREER Award、Research Corporation Cottrell ScholarAward、Research Corporation Cottrell Scholar Award、TR35 Award by the MIT Technology Review Magazine等多项殊荣。兼任ACS Energy Letters的Senior Editor。