二维（2D）有机半导体晶体是一类重要的有机超薄晶体，它具有缺陷少、分子排列长程有序、电荷传输效率高、溶液加工方便等优点，是揭示材料本征性能、构筑高性能光电器件和光子学元件的理想载体。但是，单组份二维有机晶体只能实现单一功能，无法满足当前高集成光电子学应用发展需求。因此，通过外延生长方法将两种及以上有机单晶创建为2D有机横向异质结构，从而实现化学组分及其光电特性的空间调制，对开发二维有机晶体材料和构筑光电器件、光子学元件具有重要意义。原则上，通过在现有晶体的边缘进行另一种有机晶体的外延生长，即可实现2D有机横向异质结构的制备。尽管概念上很简单，但由于难以控制两种晶体的成核位点和方向，2D有机晶体横向异质结构的制备仍然是一个相当大的挑战。
针对上述挑战，近日，www.优德88.cpm 功能纳米与软物质研究院（FUNSOM）的廖良生教授、王雪东教授团队联合www.优德88.cpm 纺织与服装工程学院郑敏教授提出了一种将溶液相生长方法与物理气相沉积生长方法相结合的两步策略，设计并合成了一种2D有机横向异质结构。通过上述设计策略，一方面，苝（Pe）晶体和苝甲醛（PeO）晶体在二元溶剂协同作用下可以顺序成核并外延生长，因此形成Pe–PeO横向异质结构；另一方面，由于Pe–PeO异质结构在极小的区域内具有良好的化学组分分布，作为气相法的前体，有效避免了无序的物理气相沉积，进一步形成PeO–Pe横向异质结构。该策略不仅结合了两种方法的优势，即溶液法低成本处理工艺和气相法高质量单晶制备，并基于两种方法的各自特点，实现了二维异质结构的结构反转，为2D有机异质结构的制备展示了方法的交叉性和组合的多样性。此外，生长机理研究表明，二维异质结构晶体遵循螺旋位错生长行为，这有效避免了有机横向异质结构的体积膨胀和收缩，从而最大限度地减少异质界面处的连接缺陷。作为概念性应用展示，有机横向异质结构显示出良好的光传输能力和可调谐的空间激子转换，表明其在纳米光子学领域中的应用潜力。基于多环芳烃分子，利用溶液相生长方法实现数种2D有机横向异质结构的成功制备也进一步验证了上述合成策略的通用性。以上结果表明，该策略为合成2D有机横向异质结构提供了一种可行的思路，也为创建下一代光电器件提供了重要的材料基础和方法借鉴。相关成果已在期刊Nature Chemistry上发表(DOI: 10.1038/s41557-023-01364-1)。
图1.二维有机横向异质结构的策略示意图和荧光显微图像
图2.二维有机异质结构PeO-Pe的表征分析
文章链接：https://www.nature.com/articles/s41557-023-01364-1
文章题目：Lateral epitaxial growth of two-dimensional organic heterostructures
作者信息：Qiang Lv（吕强）, Xue-Dong Wang*（王雪东）, Yue Yu（余悦）, Chao-Fei Xu（许超飞）, Yan-Jun Yu（俞燕君）, Xing-Yu Xia（夏星宇）, Min Zheng*（郑敏）& Liang-Sheng Liao*（廖良生）
责任编辑：郭佳