据悉，中国科学技术大学张树辰特任教授团队联合美国普渡大学、上海科技大学的研究人员，在新型半导体材料领域取得重要进展——研究团队首次在二维离子型软晶格材料中，实现了面内可编程、原子级平整的“马赛克”式异质结的可控构筑，为未来高性能发光和集成器件的研发开辟了全新路径。相关成果于1月15日在线发表于国际权威学术期刊《自然》。
在半导体领域，能够在材料平面内横向精准构建异质结构，是探索新奇物性、研发新型器件及推动器件微型化的关键。然而，以二维卤化物钙钛矿为代表的离子型软晶格半导体，其晶体结构柔软且不稳定，传统光刻加工等技术往往因反应过于剧烈而破坏材料结构，难以实现高质量的横向异质集成。如何在此类材料中实现高质量、可控外延的横向异质结的精密加工，是此领域面临的重要科学难题。
面对这一挑战，研究团队独辟蹊径，创新性地提出并发展了一种引导晶体内应力“自刻蚀”的新方法。研究人员发现，二维钙钛矿单晶在生长过程中会自然累积内部应力，团队巧妙设计了一种温和的配体-溶剂微环境，能够选择性地激活并利用这些内应力，引导单晶在特定位置发生可控的“自刻蚀”，从而形成规则的方形孔洞结构。随后，通过快速外延生长技术，将不同种类的半导体材料精准回填，最终在单一晶片内部构筑出晶格连续、界面原子级平整的高质量“马赛克”异质结。
“这种全新的加工方法，不是通过‘拼接’不同材料，而是在同一块完整晶体中，引导它自身进行精密的‘自我组装’。”张树辰解释道，“这意味着，未来我们有可能在一块极薄的材料上，直接‘生长’出密集排列的、能发出不同颜色光的微小像素点，为未来的高性能发光与显示器件的发展，提供一种全新的备选材料体系和设计思路。”
研究人员表示，此项研究首次在二维离子型材料体系中，实现了对横向异质结结构的高质量、可设计性构筑，突破了传统工艺的局限，其展现的驾驭晶体内应力与动力学新范式，实现了单晶内部功能结构的可编程演化，为研究理想化界面物理提供了全新平台，也为低维材料的集成化与器件化开辟了新的路径。
