钙钛矿是材料科学中研究最多的主题之一。 最近，香港理工大学（理大）应用物理系材料物理与化学系讲座教授兼全球STEM教授卢建平教授及该系助理教授冷凯茜博士领导的研究团队与博士后研究员、该研究论文的第一作者 Hwa Seob CHOI 博士一起，解决了合成全有机二维钙钛矿的长期挑战，将该领域扩展到令人兴奋的二维材料领域。 这一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了希望。 这项题为“分子薄、二维全有机钙钛矿”的研究最近发表在《科学》杂志上。
钙钛矿因其与矿物钛酸钙钛矿的结构相似而得名，并以其迷人的特性而闻名，可应用于太阳能电池、照明和催化等广泛领域。 钙钛矿的基本化学式为ABX3，具有通过调节A、B阳离子以及X阴离子进行微调的能力，为高性能材料的开发铺平了道路。
虽然钙钛矿最初是作为一种无机Compound被发现的，但 Loh 教授的团队将注意力中心化在新兴的全有机钙钛矿上。 在这个新家族中，A、B 和 X 成分是有机分子，而不是金属或氧等单个Atom。 使用有机成分创建三维（3D）钙钛矿的设计原理最近才确立。 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，通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 3D 钙钛矿时面临着挑战。 认识到这一局限性后，Loh 教授和他的团队提出了一种创新方法：以 2D 层而不是 3D 晶体的形式合成全有机钙钛矿。 该策略旨在克服大分子带来的限制并促进更广泛的有机离子的结合。 预期的结果是这些材料出现新颖且非凡的特性。
为了验证他们的预测，该团队开发了一种新的通用层状有机钙钛矿。 按照钙钛矿命名惯例，他们以 Choi 博士和 Loh 教授的名字将其称为“Choi-Loh-v 相”（CL-v）。 这些钙钛矿由分子薄层组成，这些分子薄层通过将石墨层固定在一起的力（即所谓的范德华力）而固定在一起，因此 CL-v 中的“v”由此而来。 与之前研究的杂化二维钙钛矿相比，CL-v相通过在晶胞中添加另一种B阳离子来稳定，其通式为A2B2X4。
研究小组利用溶液相化学制备了一种名为CMD-N-P2的CL-v材料，其中A、B和X位点被CMD（一种氯化环状有机分子）、铵和PF6−离子占据，分别。 通过在低温下进行的高分辨率电子显微镜证实了预期的晶体结构。 这些分子薄的 2D 有机钙钛矿与传统的 3D 矿物有根本的不同，它们是二维单晶，可以剥落成只有几Nano厚的六角形薄片，比人的头发丝薄 20,000 倍。
二维有机钙钛矿的溶液加工能力为其在二维电子学中的应用提供了令人兴奋的机会。 理大团队对 CL-v 相的介电常数进行了测量，得出的值范围为 4.8 至 5.5。 这些值超过了二氧化硅和六方氮化硼等常用材料的值。 这一发现为将 CL-v 相作为介电层合并到 2D 电子器件中建立了一条有前途的途径，因为这些器件通常需要具有高介电常数的 2D 介电层，而这通常是稀缺的。 团队成员 Leng 博士成功解决了将 2D 有机钙钛矿与 2D 电子器件集成的挑战。 在他们的方法中，CL-v 相被用作顶部栅极介电层，而沟道材料由Atom级薄的硫化钼组成。 通过利用 CL-v 相，该晶体管实现了对源极端子和漏极端子之间电流的卓越控制，超越了传统氧化硅介电层的能力。
Loh教授的研究不仅建立了一种全新的全有机钙钛矿，而且还展示了如何将它们与先进的制造技术相结合进行溶液处理，以提高2D电子器件的性能。 这些发展为创建更高效、更通用的电子系统开辟了新的可能性。
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