普渡研发新型半导体纳米线激光器，有望用于光子电路和激光探测

据了解，由于具有优异的可调控光电特性、以及相对较好的稳定性，二维有机无机杂化卤化物钙钛矿半导体在近年来受到了广泛关注。

这类材料的最大特点便是它拥有杂化结构（即拥有有机无机三明治结构），因此可以将有机材料和无机材料的特性加以良好结合。

近年来，美国普渡大学窦乐添教授课题组一直致力于设计和合成新型二维钙钛矿材料、研究该类的基本性质、以及探索相关的光电器件应用。

此前，该团队曾率先提出“有机半导体插层钙钛矿的概念”，并将多种结构可控的共轭有机半导体单元，引入到这种杂化结构之中 [1]。

同时，他们注意到共轭有机分子之间的相互作用，能对二维钙钛矿的结晶过程和晶体生长过程起到较大的调节作用。

并且，这种分子之间的相互作用，能对中间的钙钛矿层起到很好的保护作用，从而能够极大提高钙钛矿层的稳定性。

在近期一项研究中，他们原本计划通过引入一种更强的分子间作用力——氢键，来进一步调节钙钛矿晶体的生长稳定性和增强稳定性。

通过此，他们设计并合成了一系列带有羧基的有机分子，同时试图将它们引入到二维钙钛矿之中，以便研究分子间氢键对于钙钛矿晶体生长和物理性质的影响。

果然，他们得到了高质量的单晶，并且确实观测到了分子间氢键的存在，所制备材料的稳定性也得到了一定提升。

但是，出人意料的是他们发现原本应该是薄片状的二维晶体，全部生长成为一维针状晶体。

起初，该团队还以为这些针状晶体并不是他们想要的二维钙钛矿结构。

但是，单晶 X 射线结构解析结果显示：这些看似是一维针状晶体的内部，竟然保持着二维钙钛矿的晶体结构，也就是说它们应该还保有二维钙钛矿的光电性能和稳定性。

这让课题组一下子就被这种独特的一维-二维混杂结构所吸引。

后来，通过调节有机分子中羧基和卤原子取代基的位置，他们进一步优化了一维纳米晶体的生长，随后几乎定量得到了极高质量的二维钙钛矿纳米线。

而通过研究晶体结构和晶体生长动力学，该团队也阐明了这种独特一维-二维混杂结构的生长机理。

同时，他们还针对纳米线的光学性质进行初步研究。结果发现：电子-空穴对受限于二维量子限域，同时一维纳米结构能够形成很好的共振腔，这让纳米线表现出偏振光发射、以及低阈值光放大受激发射。

窦乐添表示：“我个人认为这个工作的意义在于：首先，在材料科学里将二维层状材料生长成一维结构是一件很 challenging 的事情，我们的发现对于实现这种特殊结构提供了一种新思路和简单有效的方法。

其次，这种一维-二维混杂结构的半导体材料已经展现出独特的光电特性，能为进一步的性质研究和器件应用打下良好的基础。”

他表示，本次杂化材料不仅具备独特的光电性能，并且具备较低的制备成本和加工成本（可溶液加工）。

因此，这种新型半导体纳米线激光器有望被用于光子电路和光子计算器、激光探测及测距系统、生物医学探测和成像系统等领域。

日前，相关论文以《层状卤化物钙钛矿纳米线的分子模板》（Molecular templating of layered halide perovskite nanowires）为题发Science[1]。

美国普渡大学博士后邵文豪、Jeong Hui Kim 是共同一作，窦乐添担任通讯作者。

据了解，起初邵文豪的课题是通过设计更好的钙钛矿发光材料，来增强发光二极管器件的性能。

一开始，他们设计了很多复杂的分子，不仅合成难度大而且非常耗时，做了很久也没有太多进展。

而使用氢键作用来调控分子间作用只是一个“side project”，完全出于邵文豪的好奇心。

虽然当时的主要项目没有太多进展，但是窦乐添并没有打断这个 side project，并给予邵文豪一定的自由度来探索新的 idea。

但是，出于项目基金的压力，窦乐添自己也保不准是否会在一段时间的探索以后，打断这个“不重要”的方向。

幸运的是，他们很快看到了积极的结果，这让他们坚信这个方向是值得探索的。

窦乐添说：“大约在 2022 年底，文豪在组会上 present 了很漂亮的针状晶体光学照片时，我们不约而同地觉得应该把重点改为放在这个项目上，同时我们应该通过进一步的优化，来得到更完美的纳米线结构并探索其光学性质。”

自那之后，邵文豪的进展十分飞速，很快就优化出了不错的晶体形貌，并基本阐释清楚了一维生长机理。

同时，这个工作也带来了很多新可能。因此，他们还有很多后续计划等待开展。

比如，设计更好的有机共轭分子，以便进一步增强纳米线的激光性能和稳定性。

比如，通过调节无机部分的成分和结构，以便调控发光波长，从而能在紫外区域和近红外区域拓展材料的应用范畴。

再比如，除了用于打造纳米激光器之外，这类材料还有希望用于光检测器、尤其是用于偏振光检测。

当然，除了研究单根纳米线之外，他们也希望实现大规模纳米线阵列和 on chip integration。

“所以我们非常欢迎与更多的器件工程师和电子工程师合作来实现这个目标。”窦乐添最后表示。

参考资料：

1.Nat Chem2019；Nat Sci Rev2021

2.https://www.science.org/doi/10.1126/science.adl0920

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