理大研究首度制备二维全有机钙钛矿 展现二维电子的应用潜力

钙钛矿是材料科学其中一个最受关注的研究领域。最近，由香港理工大学（理大）应用物理学系材料物理与化学讲座教授兼杰出创科学人教授罗健平教授、助理教授冷凯博士领导的研究，联同博士后研究员及该研究论文第一作者崔华燮博士成功构建出全有机二维钙钛矿，解决了一项多年来未能解决的难题。这项科研突破开辟了二维全有机钙钛矿的新领域，为基础科学和潜在应用带来重大意义，并已刊登于国际学术期刊《科学》（Science）。

钙钛矿（perovskite）与钙钛氧化矿物的晶体结构相近，它最为人熟识的，是具有多种电和磁的特质。罗教授与他的团队指出这些特质令钙钛矿可以广泛应用于太阳能电池、照明、催化，以及其他现今经济中极为重要的领域。钙钛矿的基本化学方程式为ABX3，特征是可以透过改变A与B 阳离子及X阴离子作出调控，为高性能材料开拓了许多新的发展方向。

钙钛矿最初是作为一种有机化合物，罗健平教授的团队特别关注研究全有机钙钛矿这个新兴分类。在这个分类中，由于A、B与X均为有机分子而非金属或氧气等单一原子种类。使用有机成分创建三维钙钛矿的设计原理最近才被确立。值得注意的是，全有机钙钛矿比全无机钙钛矿具有明显的优势，因为它们可溶液加工且灵活，从而实现经济高效的制造。此外，透过操纵晶体的化学成分，可以精确设计有价值的电磁特性，例如在电子和电容器中应用的介电特性。

传统上，由于适合晶体结构的有机分子的选择有限，研究人员在合成全有机三维钙钛矿时面临挑战。罗教授与团队提出了一种创新方法，以二维层而不是三维晶体的形态合成全有机钙钛矿，能克服某些累赘分子的限制，有可能融入更多不同有机离子，有望因而发掘更多不同的特性。

为证实这项预测，研究团队特别研发了一种全新的通用类层状有机钙钛矿，并将其命名为“Choi-Loh-v相”「CL-v」。这些钙钛矿由薄如粒子的层次组成，并由「范德华」（van der Waals）粘合成形。CL-v中的「v」代表van der Waals，「C」和「L」则取自崔博士和罗教授的姓氏。与先前研究的混合式二维钙钛矿比较，CL-v相透过在单元格中加入另一个B阳离子而变得稳定，其通用化学方程式为A2B2X4。

团队以液相化学来制备一种名为CMD-N-P2的CL-v 材料，其中的A、B和X 的位点分别由CMD（一种氯化环状有机粒子)、铵和PF6− 离子占据。透过在低温下进行的高分辨率电子显微镜，团队确定了他们所预期的晶体结构。虽然这些薄如粒子的二维有机钙钛矿与传统三维矿物基本上相异，但在二维状态下仍会结晶，还可以剥落成只有几纳米厚的薄片，比人类头发薄20,000倍。

二维有机钙钛矿的溶液加工性显示了其在二维电子学中应用的可能。理大团队亦测量得到CL-v钙钛矿的介电常数范围为4.8至5.5，高于二氧化硅和六方氮化硼等常用材料的值。这项发现为将 CL-v 相作为二维电子装置中的介电层提供了大好机会，因为这些装置通常需要具有高介电常数的二维介电层，而这通常是难以取得的。团队成员冷博士成功解决了将二维有机钙钛矿与二维电子装置整合的挑战。在他们的方法中，团队使用CL-v相作为顶栅介电层，而通道材料由原子级薄的硫化钼组成。使用CL-v相令晶体管能够比传统的氧化硅介电层更有效地控制源极端子和漏极端子之间的电流流动。

罗教授的研究不仅建立了全新的全有机钙钛矿，而且还展示瞭如何将它们与先进的制造技术相结合进行溶液加工，以提高二维电子装置的性能。这些发展为创建更有效率、更通用的电子系统开辟了新的可能性。

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