近日，苏州大学廖良生教授、郑敏教授和王雪东教授等人首次采用了液相生长和气相生长过程的两步策略合成了二维有机横向异质结构（2D-OLHs）。2D-OLHs表现出精确的结构和光学调制，边缘/中心区域显示特定的光发射。光传输测量表明，横向异质结构能轻松实现空间激子转换，可用于光子学应用。研究还认为，这种合成策略可以推广到其他有机稠环芳烃分子材料家族。文章链接DOI：10.1038/s44-1。
与无机成分相比，二维有机异质结构横向外延生长的研究现状相对有限。虽然基于过渡金属二掺杂物（TMDs）和卤化物过氧化物等无机材料的横向异质结构的设计和合成取得了重大进展，但二维有机横向异质结构的发展仍处于早期阶段。横向异质结构的大部分研究和合理设计都集中在无机成分上，而无机成分在光电器件中的应用已显示出巨大的潜力。例如，基于 TMDs 和卤化物包晶的横向异质结构已得到探索，由这些材料构建的器件已显示出卓越的性能。然而，二维有机异质结构的横向外延生长仍然是一个相当大的挑战。与无机材料相比，有机分子通常具有更高的复杂性和可变性，因此很难控制二维晶体的成核位置、取向和晶格错配。此外，有机分子可能具有不一样的生长动力学，需要对其化学成分和光电特性进行精确的空间调控，以创建二维有机横向异质结构。
在这里，作者报道了两种方法（液相生长和气相生长）的结合，从苝和苝甲醛衍生物合成2D OLH，其横向尺寸约为20 μm，可调厚度范围为20至400 nm。二维晶体的螺旋位错生长行为显示了晶格内原子的螺旋排列，这避免了OLH的体积膨胀和收缩，从而最大限度地减少横向连接缺陷。通过气相生长方法选择性控制 2D 晶体的成核和顺序生长导致 2D OLH 的结构反转。由此产生的 OLH 显示出良好的光传输能力和可调谐的空间激子转换，可用于光子应用。这种合成策略可以扩展到其他有机多环芳烃家族，正如其他芘和苝衍生物所证明的那样。下载化学加APP到你手机，更便利，更多收获。
作者选择了多环芳烃（PAH）Pe及其衍生物PeO分子进行合成，并开发了一种结合液相生长和气相生长过程的两步策略，以制备Pe−PeO和PeO−Pe 2D OLHs。通过这种方法，研究人员成功制备了单组分α-相Pe和PeO晶体。荧光显微镜（FM）图像显示，α-相Pe和PeO微晶呈方形几何形状，在紫外光激发下呈现黄色和红色荧光发射。为实现2D有机异质结构，外延生长方法是一种有前途的方法，可用于可控合成具有可调组成和期望结构的有机异质结构。在原则上，OLHs的外延生长需要克服晶格失配和钝化边缘两个问题。未解决这一问题，研究人员设计了一个二元溶剂系统，通过液相生长过程实现PeO晶体的无钝化边缘生长。该二元溶剂系统控制晶体的成核顺序，首先PeO成核，然后Pe外延生长。在这样的一个过程中，连续和快速的生长过程使PeO晶体保持无钝化的晶体边缘。在特定时间后，溶剂蒸发使Pe分子达到过饱和点并主导生长。PeO微片具有无钝化边缘，允许Pe晶体进一步进行横向外延生长，形成Pe−PeO异质结构。在气相生长过程中，由于Pe的熔点较低，首先升华，因此首先在顶部基板上形成Pe晶体。随后，许多PeO分子开始升华并在Pe晶体边缘进行横向生长。通过加热底部基板，PeO−Pe横向异质结构最终在顶部基板上形成。（如图1a所示）
作者通过实验确定了Pe和PeO分子在环己烷和二氯甲烷中的溶解度，发现这两种溶剂之间有显著差异。他们设计了一种二元溶剂系统，将二氯甲烷作为良溶剂，将环己烷作为不良溶剂，结果发现Pe和PeO的结晶速度不同，从而形成了横向异质结构。PeO在DCM-CYH混合物中的溶解度较低，这使其能够首先成核，然后发生螺旋位错，从而提供了额外的生长途径并提高了结晶速率。螺旋位错的快速结晶促进了Pe的外延生长。作者探讨了如何操纵生长动力学来影响有机异质结构的外延生长过程，并且还证明了通过调整Pe和PeO的化学计量和生长温度来控制Pe-PeO异质结构的厚度和横向尺寸的能力。
作者讨论了PeO-Pe横向异质结构的成功合成和表征，展示了其独特的光学特性和在二维光子学中的潜在应用。作者还介绍了通过气相生长工艺大规模合成Pe-PeO横向异质结构的过程，并强调了横向长度比的分布和升华温度的重要性。PeO-Pe异质结构的XRD图谱显示了Pe和PeO晶体的衍射峰。该研究为有机横向异质结构的合成、性质及其在光电子学中的潜在应用提供了宝贵的见解。作者利用原子显微镜测量法观察了PeO-Pe横向异质结构的厚度和表面形态。PeO-Pe横向异质结构的厚度约为50 nm，还能够通过调整加热时间来控制厚度。研究之后发现，横向异质结构的生长行为主要受基底（100）面的影响，基底（100）面的生长是通过分子聚集到通过螺旋位错出现的阶梯中而实现的。生长后的PeO-Pe横向异质结构中心区和边缘区的厚度分别约为1.0 nm和1.1 nm。拉曼光谱清楚地显示了层次分明的成分分布，验证了PeO-Pe 和 Pe-PeO横向异质结构的形成。拉曼光谱和傅立叶变换红外光谱分析进一步证实了横向异质结构化学成分的空间调制。此外，Pe-PeO和PeO-PeO横向异质结构随偏振角度变化的聚光强度证明了它们的各向异性光学特性。
作者讨论了二维有机晶体（如掺杂Pe和PeO晶体）因其各向异性传输和低光学损耗而在光电应用中的潜力。二维OLH中主动和被动光波导的结合实现了多功能光学应用Pe-PeO 横向异质结构可通过对一个边缘进行泵浦来主动调节三个边缘的输出，而PeO-Pe横向异质结构则可通过对异质结构中心部分进行泵浦来主动调节每个边缘的输出。这些发现凸显了二维异质结构在先进光电应用方面的潜力。作者还讨论了有机晶体横向异质结构（特别是PeO-Pe和Pe-PeO）的光学特性和光子传输行为。当375 nm激光束聚焦在Pe-PeO横向异质结构的不一样的区域时，在相对的边缘观察到明亮的红光发射，这表明二维光子传输行为是通过高效的激子转换实现的。同样，当激光束聚焦在中心区域时，在四个边缘都观察到了亮红色的光发射，这表明光传播过程中的再吸收损耗很低。PeO-Pe 横向异质结构也表现出不同的激子转换和光子传输行为，在不同的边缘和角落都观察到了亮红色的光发射。这项研究强调了这些横向异质结构中活跃的空间激子转换和光传输的显著变化，展示了它们在先进光电应用方面的潜力。
作者采用液相生长工艺合成了三种类型的异质结构，从而研究了二维OLH的横向外延策略的通用性。研究选择了多种多环芳烃（PAH）分子，包括芘（Py）、1-甲基芘（MePy）、苯并[ghi]苝（BGP）、二苯并(A,H)芘（DbPy）、Pe和PeO，用于构建横向异质结构。构成横向异质结构的各个晶体成分呈现出相似的生长形态。作者成功制备了Py-DbPy、MePy-Pe和BGP-PeO横向异质结构，每种结构都显示出与掺杂晶体成分发射相对应的独特发光模式。该研究表明，外延策略可用于制备很多类型的二维有机异质结构，展示了制造下一代光电器件的潜力。
苏州大学廖良生教授、郑敏教授和王雪东教授等人成功演示了使用液相生长方法和气相生长方法的2D OLH的两步合成。调整生长方法是控制成核顺序的实用方法，以此来实现横向异质结构化学成分的空间调制。液相生长办法能够以相比来说较低的成本大规模制备Pe−PeO横向异质结构。以Pe−PeO为前驱体，采用气相生长法成功制备了高晶体质量的PeO−Pe横向异质结构。更重要的是，通过合成Py−DbPy、MePy−Pe和BGP−PeO异质结构，成功证实了2D OLH横向外延策略的通用性。
总体而言，这项工作提供了一条从有机二维晶体合成横向异质结构的途径。具有调谐光学或电学特性的有机二维晶体的可控和顺序集成是扩大横向异质结构材料范围的重要一步，并为创建下一代光电器件打开了一扇窗。