晶體“自刻蝕”新工藝實現低維光伏材料精密制備

中國科學技術大學特任教授張樹辰團隊聯合美國普渡大學、上海科技大學的研究人員，首次在二維離子型軟晶格材料中，實現了面內可編程、原子級平整的“馬賽克”式異質結可控構筑，為未來高性能發光和集成器件的研發開辟了全新路徑。1月15日，相關成果在線發表于《自然》。

在半導體領域，能夠在材料平面內橫向精準構建異質結構，是探索新奇物性、研發新型器件及推動器件微型化的關鍵。然而，以二維鹵化物鈣鈦礦為代表的離子型軟晶格半導體，其晶體結構柔軟且不穩定，傳統光刻加工等技術往往因反應過于劇烈而破壞材料結構，難以實現高質量的橫向異質集成。如何在此類材料中實現高質量、可控外延的橫向異質結精密加工，是該領域面臨的重要科學難題。

張樹辰研究團隊獨辟蹊徑，創新性地提出并發展了一種引導晶體內應力“自刻蝕”新方法。研究人員發現，二維鈣鈦礦單晶在生長過程中會自然累積內部應力，并巧妙設計了一種溫和的配體——溶劑微環境，能夠選擇性地激活并利用這些內應力，引導單晶在特定位置發生可控的“自刻蝕”，從而形成規則的方形孔洞結構。隨后，通過快速外延生長技術，將不同種類的半導體材料精準回填，最終在單一晶片內部構筑出晶格連續、界面原子級平整的高質量“馬賽克”異質結。

“這種全新的加工方法不是通過‘拼接’不同材料，而是在同一塊完整晶體中，引導它自身進行精密的‘自我組裝’，”張樹辰解釋道，“這意味著，未來我們有可能在一塊極薄的材料上，直接‘生長’出密集排列的、能發出不同顏色光的微小像素點，為未來的高性能發光與顯示器件的發展提供一種全新的備選材料體系和設計思路。”

此項研究突破了傳統工藝的局限，首次在二維離子型材料體系中實現了對橫向異質結結構的高質量、可設計性構筑。其展現的駕馭晶體內應力與動力學新范式，實現了單晶內部功能結構的可編程演化，為研究理想化界面物理提供了全新平臺，也為低維材料的集成化與器件化開辟了新的路徑。

審稿人對該工作做出高度評價，認為“這是一項出色的研究，它通過基于溶液的技術，巧妙地利用了二維鈣鈦礦的軟離子晶格特性，對該領域做出了重要貢獻”。

相關論文信息：https://doi.org/10.1038/s41586-025-09949-1