两种二维材料——钙钛矿（蓝色）和金属卤化物（黄色）的自组装行为。
将超薄薄膜材料相互叠加，可以制造出奇特的新材料。然而，堆叠材料的过程并不适合大规模生产。当地时间9月16日，美国斯坦福大学教授Hemamala Karunadasa领导的团队在《科学》杂志中报告了一种更简单、快捷的复杂材料自动组装方法。他们用钙钛矿培育了二维层，并在大晶体中与其他薄层材料交叉和自组装。
自组装过程在反应瓶中进行，各薄层的化学成分在水中翻滚，杠铃状的分子引导着动向。杠铃分子的每一端都连接有一种可成长为薄层的模板。当薄层结晶时，杠铃分子会自动将它们按适当的顺序连接在一起。时任Karunadasa实验室博士后研究员的Michael Aubrey说：“最酷的事实是，这些复杂的层状材料会自发结晶。这种新方法的通用性让我们感到非常振奋。我们不是一次操纵一层材料，而是将化学原料一次性倒入反应器内，让它们按照自己的想法组装。”
Aubrey指出，卤化物钙钛矿具有与天然钙钛矿相似的八面体结构，其组装过程通常是在水中进行的。这类材料在太阳能电池领域有很大的应用潜力，然而，它们的稳定性比较差。让钙钛矿和其他材料组合成层状材料，不仅有望结合两者的优点，还可能获得意想不到的界面特性——比如，科学家们曾证实，将两种不同类型的绝缘薄膜堆叠可以制成导体。可惜的是，层状材料堆叠组合后的性能很难预测，制造条件也十分苛刻。Karunadasa说：“这类型的生产工艺不具有可扩展性。有时，你甚至无法用同一种方法制造出两批次相同的产品。剥离出的原子层是相当脆弱的，你很难确定堆砌出的最终结构。”
Karunadasa团队研究生Abraham Saldivar Valdes开发了一种新的分层结构自组装方法，另一名研究生Bridget Connor对该方法进行了扩展。他们最终制作了六种自组装材料，并用X-射线检视了它们的结构。结果显示，在大多数结构中，杠铃分子将层间稍微分离。而在其中一种结构中，杠铃分子使各层直接接触，进而形成了化学键。Karunadasa说：“这种层间连接结构非常关键，因为它可能导致突变性质，例如分布在两层的电子激发。在这种特例中，当应用光轰击材料以释放电子，并产生带正电的空穴时，我们发现电子和空穴分别出现在不同的层中。这对我们的研究非常重要，因为它意味着研究人员能够通过调整层环境来定制电子行为。”
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编译：德克斯特 审稿：西莫 责编：陈之涵
期刊来源：《科学》
期刊编号：0036-8075
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https://phys.org/news/2021-09-simple-complex-semiconductors.html
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