近日，上海科技大学物质科学与技术学院于奕课题组与美国普渡大学、中国科学技术大学科研团队合作，在图案化的卤化物钙钛矿横向异质结研究中取得突破性进展，利用低剂量电子显微成像方法揭示了卤化物钙钛矿材料的微观结构并证实了应变诱导的刻蚀机理。北京时间1月14日，相关研究成果以“Mosaic lateral heterostructures in two-dimensional perovskite”为题，在线发表于国际学术期刊《自然》（Nature）。
图1：研究成果在《自然》（Nature）上的发表页面
在半导体材料领域，横向异质结构在探索新奇物理性质、开发新型器件以及推动器件微型化方面具有重要意义。然而，新型卤化物钙钛矿半导体由于离子晶格柔软且不稳定，传统用于制备图案化模板的光刻与刻蚀工艺对其而言过于剧烈，往往难以奏效。
本研究提出一种新方法：在溶液环境中诱导二维卤化物钙钛矿材料发生自发刻蚀，形成尺寸可控的方形孔洞；随后以孔洞为模板外延生长另一种钙钛矿材料，从而制备马赛克式横向异质结。阐明这种自发刻蚀的形成机理对于方法的设计、优化及后续拓展至关重要，而对刻蚀孔洞的原子尺度结构进行直接观测是破解机理的关键途径。遗憾的是，卤化物钙钛矿在电子束辐照下极易发生结构坍塌与化学分解，使得常规电子显微手段难以获取可靠的原子尺度信息。
于奕课题组采用低剂量高分辨电子显微成像，成功对比观察了刻蚀前后孔洞附近的原子结构，发现晶格内应力是诱导刻蚀的关键因素。刻蚀一旦被触发，孔洞会最终沿钙钛矿的[100]/[010] 晶体学方向稳定生长，形成规则的方形孔洞。进一步的电子显微表征还证明，以孔洞为模板外延生长的另一种钙钛矿材料与原材料具有良好的外延晶格匹配，从而形成高质量的横向异质结。
此项研究成果将为复杂集成发光器件的创新开发与产业化应用奠定普适性材料平台基础。本工作中，于奕课题组原创性低剂量高分辨电子显微研究，为深度解析卤化物钙钛矿的本征结构特征与构效关系提供了关键科学启示。
上海科技大学物质学院2025届博士毕业生卢愿为文章共同第一作者，于奕教授为共同通讯作者。
图2：卤化物钙钛矿孔洞刻蚀及填充微观结构的低剂量电子显微成像
沪公网安备 31011502006855号