利用化學氣相沉積方法制備二維單層金屬有機骨架單晶

　　二維金屬有機骨架（MOF）具有超高的比表面積和更多暴露活性位點，在分子傳感、氣體分離、催化和超導體等領域展現出應用潛力。制備具有原子厚度的高質量、大尺寸MOF晶體，特別是單層單晶，是MOF性質研究和應用的關鍵。然而，由于MOF塊體晶體中片層本征的脆性和層間強的相互作用，二維MOF的制備存在結晶性差、難以單層制備、尺寸小等問題。同時，當前報道的可控制備高質量、大尺寸單層二維材料的化學氣相沉積（CVD）方法，僅實現了MOF薄膜的生長，而大尺寸原子級厚的MOF單晶特別是單層單晶未被實現。與無機材料和石墨烯的CVD生長相比，MOF-CVD的生長溫度一般低于300oC，加上前驅體有機配體分子的質量大、體積大、與基底相互作用強，致使產生厚的多晶薄膜。因此，發展CVD方法制備大尺寸原子級薄的MOF單晶，對于MOF的性質研究和實際應用具有重要意義。

　　中國科學院化學研究所有機固體院重點實驗室鄭健課題組致力于未來碳材料的研究和新型二維材料的制備并取得進展。近日，該課題組開發了自冷凝輔助CVD（SCA-CVD）生長技術，實現了大尺寸單層單晶MOF的制備。該研究在CVD流程中通過設計陡峭的溫度梯度，引入了配體自冷凝產生液滴的策略，構建了臨時的液體生長環境。該液體生長環境提升了前驅體分子的自由程和配位鍵的可逆性，實現了二維MOF晶粒的動態生長，促進了大尺寸、高質量單層單晶的制備，獲得了數十微米尺寸的單層Fen(bim)2n單晶。此外，這種MOF晶體的SCA-CVD生長顯示出良好的兼容性，可在多數襯底表面直接生長二維MOF單晶，甚至能夠直接生長在單層MoS2上。單層MOF/單層MoS2的超薄范德華異質結展示出MOFs晶體的精確門效應和單層MoS2的高靈敏度的功能集成，實現了快速高選擇性的氨氣傳感。

　　相關研究成果發表在《自然-通訊》（Nature Communications）上。研究工作得到科學技術部、國家自然科學基金委員會、中國科學院的支持。