理大研究首度製備二維全有機鈣鈦礦 展現二維電子的應用潛力

鈣鈦礦是材料科學其中一個最受關注的研究領域。最近，由香港理工大學（理大）應用物理學系材料物理與化學講座教授兼傑出創科學人教授羅健平教授、助理教授冷凱博士領導的研究，聯同博士後研究員及該研究論文第一作者崔華燮博士成功構建出全有機二維鈣鈦礦，解決了一項多年來未能解決的難題。這項科研突破開闢了二維全有機鈣鈦礦的新領域，為基礎科學和潛在應用帶來重大意義，並已刊登於國際學術期刊《科學》（Science）。

鈣鈦礦（perovskite）與鈣鈦氧化礦物的晶體結構相近，它最為人熟識的，是具有多種電和磁的特質。羅教授與他的團隊指出這些特質令鈣鈦礦可以廣泛應用於太陽能電池、照明、催化，以及其他現今經濟中極為重要的領域。鈣鈦礦的基本化學方程式為ABX3，特徵是可以透過改變A與B 陽離子及X陰離子作出調控，為高性能材料開拓了許多新的發展方向。

鈣鈦礦最初是作為一種有機化合物，羅健平教授的團隊特別關注研究全有機鈣鈦礦這個新興分類。在這個分類中，由於A、B與X均為有機分子而非金屬或氧氣等單一原子種類。使用有機成分創建三維鈣鈦礦的設計原理最近才被確立。值得注意的是，全有機鈣鈦礦比全無機鈣鈦礦具有明顯的優勢，因為它們可溶液加工且靈活，從而實現經濟高效的製造。此外，透過操縱晶體的化學成分，可以精確設計有價值的電磁特性，例如在電子和電容器中應用的介電特性。

傳統上，由於適合晶體結構的有機分子的選擇有限，研究人員在合成全有機三維鈣鈦礦時面臨挑戰。羅教授與團隊提出了一種創新方法，以二維層而不是三維晶體的形態合成全有機鈣鈦礦，能克服某些累贅分子的限制，有可能融入更多不同有機離子，有望因而發掘更多不同的特性。

為證實這項預測，研究團隊特別研發了一種全新的通用類層狀有機鈣鈦礦，並將其命名為“Choi-Loh-v相”「CL-v」。這些鈣鈦礦由薄如粒子的層次組成，並由「範德華」（van der Waals）粘合成形。CL-v中的「v」代表van der Waals，「C」和「L」則取自崔博士和羅教授的姓氏。與先前研究的混合式二維鈣鈦礦比較，CL-v相透過在單元格中加入另一個B陽離子而變得穩定，其通用化學方程式為A2B2X4。

團隊以液相化學來製備一種名為CMD-N-P2的CL-v 材料，其中的A、B和X 的位點分別由CMD（一種氯化環狀有機粒子)、銨和PF6− 離子佔據。透過在低溫下進行的高解析度電子顯微鏡，團隊確定了他們所預期的晶體結構。雖然這些薄如粒子的二維有機鈣鈦礦與傳統三維礦物基本上相異，但在二維狀態下仍會結晶，還可以剝落成只有幾納米厚的薄片，比人類頭髮薄20,000倍。

二維有機鈣鈦礦的溶液加工性顯示了其在二維電子學中應用的可能。理大團隊亦測量得到CL-v鈣鈦礦的介電常數範圍為4.8至5.5，高於二氧化矽和六方氮化硼等常用材料的值。這項發現為將 CL-v 相作為二維電子裝置中的介電層提供了大好機會，因為這些裝置通常需要具有高介電常數的二維介電層，而這通常是難以取得的。團隊成員冷博士成功解決了將二維有機鈣鈦礦與二維電子裝置整合的挑戰。在他們的方法中，團隊使用CL-v相作為頂柵介電層，而通道材料由原子級薄的硫化鉬組成。使用CL-v相令電晶體能夠比傳統的氧化矽介電層更有效地控制源極端子和漏極端子之間的電流流動。

羅教授的研究不僅建立了全新的全有機鈣鈦礦，而且還展示瞭如何將它們與先進的製造技術相結合進行溶液加工，以提高二維電子裝置的性能。這些發展為創建更有效率、更通用的電子系統開闢了新的可能性。

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