近日，上海科技大学物质科学与技术学院于奕课题组与西湖大学工学院师恩政团队合作，在卤化物钙钛矿垂直异质结研究中取得重要进展。于奕课题组发展适用于敏感卤化物钙钛矿材料的室温低损伤聚焦离子束显微制样方法，结合低剂量电子显微高分辨成像技术，在原子尺度直接观察卤化物钙钛矿材料界面的微观结构，揭示了2D-3D范德华垂直异质结界面有机分子钝化层对实现材料高质量平整外延生长的关键作用。相关研究成果以“Coherent 2D-3D van der Waals perovskite epitaxial heterostructures”为题，在线发表于国际学术期刊《自然-纳米科学》（Nature Nanotechnology）。
半导体异质结是现代微电子学与光电子器件的核心基础，在钙钛矿光电子器件领域，将具有优异环境鲁棒性的二维钙钛矿与具备高效载流子传输特性的三维钙钛矿相结合，构筑“2D–3D异质结”，已被证明是实现下一代高效率、高稳定性光伏器件和发光二极管的有效路径。尽管在多晶薄膜和量子点体系中已有诸多突破，但受限于原材料易挥发、加工窗口窄、界面结构难以精确调控等瓶颈，长期以来科学界仍难以获得原子级可控的单晶外延异质结。
本工作提出一种新策略：基于溶液外延生长方法，首先合成形貌规则、量子阱结构均一的二维钙钛矿；随后通过前驱体化学调控，在二维钙钛矿模板上范德华外延生长三维钙钛矿，构筑取向一致的钙钛矿范德华异质结。阐明这种取向性垂直外延的形成机制对于该方法的设计、优化及进一步拓展至关重要；而对异质结界面原子尺度结构的直接观测，则是破解其形成机制的关键。然而，锡基有机卤化物钙钛矿对空气和电子束辐照高度敏感，使得常规透射电子显微样品制备与表征方法难以获得可靠的原子尺度结构信息。
2D-3D卤化物钙钛矿异质结截面样品的低剂量TEM / 4D-STEM电子显微成像
于奕课题组发展了适用于卤化物钙钛矿材料的室温低损伤聚焦离子束显微截面样品制备方法，以及低剂量高分辨电子显微成像技术，成功实现了对2D–3D垂直外延范德华异质结界面原子结构的直接观测，证实了该材料体系的高质量外延生长特征，并进一步揭示了界面有机分子钝化层的构型。此项成果明确了原子级外延2D–3D卤化物钙钛矿范德华异质结构的基本设计原则，为未来将具有高质量界面结构的实验室级单晶异质结拓展至晶圆尺寸级应用提供了可能。本工作中于奕课题组原创发展的新方法和新技术，为深入解析卤化物钙钛矿异质结的结构特征及其构效关系提供了关键证据。
西湖大学博士研究生夏明、上海科技大学物质学院2026届博士毕业生陈瑜、西湖大学助理研究员沈宏志、西湖大学博士研究生张奕玲为文章共同第一作者，上海科技大学于奕教授和西湖大学师恩政教授为共同通讯作者。
论文标题：Coherent 2D–3D van der Waals perovskite epitaxial heterostructures
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