结，结，结，结，结晶了！

结，结，结，结，结晶了！

学术研究

2025年01月03日

媒体联系张弛邮箱: media@westlake.edu.cn
电话: +86-(0)571-86886861 公共事务部

水分子的结晶成为天空飘落的雪花

氯化钠的结晶成为了地球之盐

蛋白质的结晶让我们窥探结构奥秘

碳结晶后变成钻石，见证爱情……

北京时间1月3日，西湖大学师恩政团队同合作者在Nature Synthesis《自然·合成》上发文，他们以二维钙钛矿为载体，实现了高纯度的不同量子阱厚度钙钛矿异质结的精准可控生长——一种人为控制的更纯净更精细的“复合”结晶。

结晶，几乎是一种美丽而神奇的自然现象，其内部的原子、离子或分子按照一定的规则在三维空间中周期性地排列，形成有序的结构。而在师恩政实验室，他们正在调控更加极致的晶体生长过程。

论文链接：
www.nature.com/articles/s44160-024-00692-5

本项研究两位共同一作
左：西湖大学助理研究员王天禹博士
右：博士研究生夏明

【老故事】
什么是钙钛矿？

师恩政桌子上的钙钛矿模型

在自然界中，各种晶体和矿物以五彩斑斓的色彩，近乎完美的几何规则形状，吸引着人们对物质世界的好奇心和探索热情。

钙钛矿正是如此。

钙钛矿其实指的是一种化合物结构。1839年，德国化学家古斯塔夫·罗斯在俄罗斯乌拉尔山发现了天然钛酸钙（CaTiO₃），这是一种ABX₃的结构，实际上，元素周期表中90%的金属元素都可以成为钙钛矿中的A或B离子。

有研究者估算，在地壳深处，钙钛矿型的矿物占地球总体积的大约38.5%，算是地球常客。

“这个结构，有点像是一个脚手架。”师恩政说，“脚手架搭建的过程，就是晶体生长的过程。”

而这个“脚手架”，方便了人类去搭建各种“工程”。上世纪，人们研制出了用有机离子（甲基胺或甲脒氢）作钙钛矿结构中的A离子，用铅或者锡作B阳离子，用氯、溴或碘阴离子作X阴离子。这样的钙钛矿有非常好的光伏特性，能够把光能转化成电能。

此外，钙钛矿在发光二极管（LED）、光电探测器、激光器等领域都有着广泛的应用前景。

【新材料】
什么是二维钙钛矿异质结？

2004年前，人们认为理想的二维材料不能稳定的存在，转机来自一次意外，多亏了一卷胶带。

事情是这样的，英国曼切斯特大学的两位科学家，利用胶带在石墨中剥离出单原子层厚度的石墨，也就是石墨烯。理论上，石墨烯的强度是钢的200倍，热导率是铜的13倍。

两位科学家因此获得了2010年的诺贝尔奖，也开启了二维材料研究的新时代。有的人撕胶带能拿诺奖，有的人撕胶带能拆快递，这到底是为什么？

二维层状的钙钛矿同样可以像石墨一样层层剥离。

这也一直在师恩政的研究范围之内。之前，师恩政在卤素钙钛矿的结构中，引入了噻吩类共轭有机配体，这相当于在卤素钙钛矿的上下表面，增加了一层疏水的“保护膜”，而这种有机配体，比前人研究的材料更具“刚性”，隔绝水和氧，能更有效抑制钙钛矿这个“脚手架”的“垮塌”。

“三明治”结构的二维钙钛矿材料示意图，上下的材料就是有机配体

现在，如同获得一个三明治，恭喜你获得了一份二维钙钛矿材料，不过，这才是神奇的开端。如同一位充满创意的厨师，科学家在这份“三明治”的四周外延，再让另一种钙钛矿材料生长上去，两种钙钛矿材料并不相同，被称为异质结。

这种不同常常造就新的可能。我们知道硅晶太阳能电池，是通过掺入不同杂质原子，形成PN结，而异质结是涉及两种不同的材料，在结晶过程中，让他们有序生长在一起。

顾名思义，你可以感受到其中关键的难度所在——让两种不同的钙钛矿材料结晶在一起。

另外，由于材料尺度极小，这种交替生长形成的多层结构，会出现量子限域效应，也就是量子阱效应。在这种结构中，电子或空穴在一个方向上（通常是垂直于层的方向）的运动受到限制，而在其他方向上则可以自由运动。科学家可以利用这一性质来开发材料的应用。

所以说，新的材料背后，不仅蕴藏着新的物理，也蕴藏着新的技术，二维钙钛矿半导体异质结为发现新的物理现象，研制更高性能的光电器件提供了可能。正是种种的新可能，促使着师恩政团队寻求更极致的二维钙钛矿异质结生长方法。

【更关键】
如何获得高纯度异质结？

师恩政团队提出的制备思路，最左侧分别展示了n=1，n=2，n=3的三种情况

如何生长高质量、高纯度的二维钙钛矿异质结，仍面临着巨大的挑战。

中国有句古话，“上梁不正下梁歪”，其实在晶体生长过程中，也有点类似。师恩政团队的思路，正是从源头入手。又如同植物从种子开始生长，晶体生长最初的起点，被称为籽晶，这正是源头。

对于异质结来说，内核最初二维钙钛矿的形态，直接决定了后续晶体生长的形态和质量。

具体来说，它会形成不同金属-卤素八面体层的形态作为其基本结构，这里我们可以用n=1，n=2，n=3……来表示“三明治”结构中金属-卤素八面体层的数目。

随