陕西师范大学/犹他大学/中科院苏州纳米所Nat. Commun.: 氢键有机框架和石墨烯的大规模二维异质结

2024年7月15日，Nat. Commun.在线发表了陕西师范大学潘明虎教授、高健智教授、犹他大学刘锋教授和中科院苏州纳米所李坊森研究员课题组的研究论文，题目为《Large-scale 2D heterostructures from hydrogen-bonded organic frameworks and graphene with distinct Dirac and flat bands》，论文的第一作者为Xin Zhang、Xiaoyin Li、Zhengwang Cheng、Aixi Chen和Pengdong Wang。

异质结由于其重要的结构、界面和电子性质，特别是相对于单个材料而言具有较好的电学和光学性质，已被广泛用作先进半导体器件的基本组成部分。近年来，随着石墨烯和其他二维材料的兴起，二维异质结得到了广泛的发展。有机-无机异质结可以兼有有机材料和无机材料的优点，例如使其像有机薄膜一样柔韧，同时又像无机薄膜一样耐磨。它们不同特性和功能的结合可能会拓宽器件的能力，并赋予任何一种都无法单独实现的特殊应用。通过将有机层与无机范德华材料的无悬键表面相结合，二维有机-无机异质结已经出现并成为新的范式，呈现出前所未有的多功能应用和新颖的器件架构。

目前，构建二维有机-无机异质结的策略包括溶液处理、机械剥离和转移以及气相生长。第一种方法不可避免地涉及湿化学的污染，而第二种方法限制了异质结的尺寸（~微米）。相比之下，有机气相生长可以在衬底表面生长出高度有序的有机层，并产生高质量的异质结，例如石墨烯、WS₂和MoSe₂表面的有机层。然而，界面处气相生长的残留物强烈影响异质结的质量。到目前为止，一种合理的自下而上设计高质量的二维有机-无机异质结很少被证明，其既具有有机层又具有无机层的吸引人特性。

在此研究中，作者展示了一种自下而上的方法来制备具有干净界面和高度结晶片的二维大规模异质结（THPB-HOF/石墨烯）。作为一个典型的例子，一个有序的氢键有机框架自组装在高取向热解石墨衬底上。有机框架采用蜂窝晶格，在晶胞中有缺陷/未缺陷的一半，类似于分子“石墨烯”。有趣的是，衬底的最顶层通过强层间耦合被有机框架自提升，有效形成了一个漂浮的有机框架/石墨烯异质结。单层异质结继承了其固有特性，表现出石墨烯的明显狄拉克带和有机框架的窄带。在费米能级以下>1.0 eV的能量范围内观察到的狄拉克带，其费米速度约为4.83-5.25 eV·Å，可归因于自提升石墨烯层。此外，窄带起源于THPB-HOF晶格，作为分子“石墨烯”的一种独特形式，与密度泛函理论（DFT）计算由拓扑平带组成的能带结构一致。研究结果表明，通过自提升效应制备具有大规模均匀性和高度结晶性的二维有机-无机异质结是一种有前景的方法，该方法通常适用于大多数范德华材料。

图1 大规模二维有机/石墨烯异质结的自下而上制备

图2 THPB-HOF的STM表征和DFT计算

图3 THPB-HOF/石墨烯能带的ARPES观测

图4 THPB-HOF上测量的隧道光谱

论文链接

Zhang, X., Li, X., Cheng, Z. et al. Large-scale 2D heterostructures from hydrogen-bonded organic frameworks and graphene with distinct Dirac and flat bands. Nat. Commun., 2024, 15, 5934. https://doi.org/10.1038/s41467-024-50211-5

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