异质结构作为先进半导体器件的基本构建模块，因其独特的结构、界面和电子特性而备受关注。有机分子/二维材料异质结因其原子级洁净界面结构和特殊电子态特性，在二维半导体材料与器件中具有广泛的应用前景。近期有机分子薄膜被发现可调控并大幅提高二维半导体材料性能（Nat. Mater. 2023,22, 1078）。分子调控二维半导体材料和器件的微观机制还有待进一步研究。另外目前构建有机分子/二维材料异质结构的方法主要包括溶液处理、机械剥离和转移、气相生长等，这些方法存在一些问题，如溶液处理可能引入化学污染，机械剥离限制了异质结构的尺寸，气相生长可能在界面留下残留物，影响异质结构的质量。

图1. 自下而上制备大规模二维有机/HOPG异质结。包括异质结自剥离效应示意图、STM高度图和计算得到的优化结构及能带结构

最近，中国科院苏州纳米所纳米真空互联实验站（Nano-X）李坊森等与陕西师范大学潘明虎和高健智教授团队、美国犹他大学刘锋教授团队合作，基于真空互联技术，开发了一种自下而上制备二维大规模异质结构的新方法。用此方式构筑的二维异质结具有原子级洁净的界面和高结晶性。研究发现异质结原子级洁净界面和弱氢键网络结构有利于形成增强的界面相互作用，以至于二维材料块体材料的最顶层薄膜发生自剥离效应，形成有效的漂浮二维有机框架薄膜/单层石墨烯异质结构。真空互联的低温扫描隧道显微镜（STM）、原位角分辨光电子能谱（ARPES）都探测到单层石墨烯的信息。进一步有机分子/MoS₂异质结等实验发现该方法具有普适性，观察到MoS₂从体材料到单层的带隙转变。该研究不仅解析了分子调控二维半导体材料和器件的微观机制，还提供了一种通过自剥离效应制造大面积二维有机-无机异质结构的新思路和新方法。实验得到了中国科学院苏州纳米所纳米真空互联实验站（Nano-X）的大力支持。

图2. 利用ARPES测得的THPB-HOF/石墨烯异质结的能带结构

该研究成果以 Large-scale 2D heterostructures from hydrogen-bonded organic frameworks and graphene with distinct Dirac and flat bands 为题发表在Nature Communications上。以上成果通讯作者为陕西师范大学高健智教授、中国科学院苏州纳米所李坊森项目研究员、陕西师范大学潘明虎教授和美国犹他大学刘锋教授。中国科学院苏州纳米所王鹏栋、陈爱喜为文章共同一作。该工作得到了国家自然科学基金、美国能源部基础能源科学办公室、苏州市基础研究试点项目、中国科学院青年创新促进会、陕西省青年拔尖人才项目和中国科学院苏州纳米所纳米真空互联实验站等经费支持。

论文链接