近日，我校物理学与信息技术学院潘明虎教授团队与中科院苏州纳米所纳米真空互联实验站李坊森副研究员、美国犹他大学刘锋教授团队在二维分子/无机材料异质结领域取得的重大突破性成果，此成果展示了一种自下而上的方法来制造具有干净界面和高度结晶的二维大规模有机/无机异质结构。该成果以“Large-scale 2D heterostructures from hydrogen-bonded organic frameworks and graphene with distinct Dirac and flat bands”为题于2024年7月15日在国际权威学术期刊《自然·通讯》(Nature Communications)上发表。我校为第一且共同通讯单位，物理学与信息技术学院张鑫副研究员、犹他大学的李肖音博士、湖北工业大学的程正旺副教授以及苏州纳米所的陈爱喜和王鹏栋博士为共同第一作者；潘明虎教授、高健智教授、李坊森副研究员和刘锋教授为共同通讯作者。
目前构建二维有机/无机异质结的策略主要涉及湿化学过程或剥离和转移，导致界面污染、结晶不良或尺寸有限，极大的限制了二维有机/无机异质结在未来电子器件中的应用。在该工作中，潘明虎教授研究团队及合作者展示了一种自下而上的方法来制造具有干净界面和高度结晶的二维大规模有机/无机异质结构。通过一个典型的例子，我们在高取向热解石墨 （HOPG）基底上利用1,3,5-三(4-羟基苯基)苯（THPB）分子作为构筑单元，制备出大范围均匀结构有序的二维氢键有机框架（HOF）自组装单层结构。该有机框架呈现蜂窝状晶格，在晶胞中有缺陷/未缺陷的一半，类似于“石墨烯”的a/b子晶格结构。更为重要的是，HOPG基底的最顶层通过强层间耦合被有机框架层提拉起来，有效地形成了一个悬浮的有机框架/石墨烯异质结构。角分辨光电子能谱测量观察到费米能级附近的狄拉克带和一系列较深能量的窄带。在费米能级以下>1.0 eV的能量范围内观察到的线性色散的狄拉克带，其费米速度约为4.83–5.25 eV·Å，非常接近石墨烯的费米速度，来自于自提升的石墨烯层。此外，窄带来自于THPB-HOF有机晶格，与DFT计算的由拓扑平带组成的能带结构一致。我们的研究结果表明，通过这种自提升效应制备具有大规模均匀性和高度结晶性的二维有机-无机异质结构是一种非常有前景的方法，通常适用于大多数范德华材料。 我们还通过在MOS2基底上生长进一步验证了我们方法的普遍性，我们通过THPB-HOF单层诱导的自提升效应观察到MOS2从块状到单层的带隙转变.
该成果获得了国家自然科学基金、美国能源部基础能源科学办公室、中科院青促会、苏州市科技局和苏州纳米技术与纳米仿生研究所Nano-X等部门的经费支持和帮助。
一种自下而上的方法来制造具有干净界面和高度结晶的二维大规模有机/无机异质结构
论文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-024-50211-5