他，共一Nature发表两个月后，再以一作和通讯身份发Nature！

纳米人

2026-01-16

第一作者：张树辰，卢愿

通讯作者：张树辰，于奕，窦乐添

通讯单位：中国科学技术大学，上海科技大学，普渡大学

导读

继中国科学技术大学张树辰教授以共同一作身份在Nature发表题为“Atomically Resolved Edges and Defects in Lead Halide Perovskites”论文的两个月后，中国科学技术大学张树辰教授、普渡大学窦乐添教授再度联合上海科技大学于奕教授团队在Nature发表了题为“Mosaic Lateral Heterostructures in Two-dimensional Perovskite”的论文，这两项工作分别研究了钙钛矿的边缘降解机制以及低维钙钛矿界面原子级分辨的图案化问题。

研究要点

本文利用有机铵盐的异丙醇溶液对二维钙钛矿进行处理，实现了二维钙钛矿薄层单晶面内的可控刻蚀，进一步结合反溶剂外延生长策略，对刻蚀孔进行不同卤素钙钛矿种类的填充，首次获得了二维钙钛矿马赛克异质结，实现了多种颜色的发光。

研究背景

二维材料由于其原子级厚度、可调能带结构以及清晰的界面特性，一直是实现面内异质结的重要平台。在石墨烯、过渡金属硫族化物等体系中，面内异质结已被用于带隙调控、多功能集成和信息编码。然而，这些策略多依赖高温气相外延、等离子体刻蚀或图案化生长，难以直接应用于结构柔软、离子键特征显著的二维钙钛矿。对于二维钙钛矿而言，其溶剂敏感性强，传统调控往往伴随整体溶解–再成核过程，无法实现局域、低损伤且高精度的面内结构工程。因此，在同一薄层单晶内构筑具有化学组成差异与光学特性差异的面内异质结仍是未解难题。

研究思路

1.马赛克结构构建策略

由于卤化铅在 IPA 中难溶，体系存在独特的固液反应势垒，升温可显著加速反应并实现速率调控，使二维钙钛矿在含配体的 IPA 中保持结构稳定，同时自发形成方形缺陷。本研究提出了基于配体辅助异丙醇（IPA）刻蚀的二维钙钛矿图案化策略。研究首先通过界面法获得大面积、超薄的二维钙钛矿单晶，再在设计的配体–IPA 溶液中实现可控刻蚀，形成规则的方形孔洞。通过延长醇链（如使用辛醇）可进一步降低溶解速率，使刻蚀更可控；结合图案化掩膜还可实现周期性孔阵列。随后，利用反溶剂诱导的快速侧向外延，将不同卤素组成的钙钛矿填充至刻蚀孔中，构筑出马赛克式面内异质结。与传统强溶剂或 UV 图案化方法相比，该策略温和、不损伤晶格，可获得界面清晰、厚度均一、周期可设计的高质量二维钙钛矿异质结构。

图1. 二维钙钛矿马赛克结构构筑策略

2.二维钙钛矿面内可控刻蚀与刻蚀机制

本研究系统揭示了二维钙钛矿在配体–IPA 溶液中形成方形孔洞的刻蚀机理及材料依赖性。以 BA₂PbBr₄为例，其孔洞尺寸随时间线性增长，室温刻蚀速率约 0.51 μm/min，并随温度升高加快。不同配体和卤素显著影响刻蚀行为：PEA₂PbBr₄因 PEABr在 IPA 中溶解性差，会形成保护层而刻蚀最慢；PEA₂PbI₄则因高反应性刻蚀最快。活化能分析显示 BA₂PbBr₄与 PEA₂PbI₄相近，而 PEA₂PbBr₄更低且随浓度降低而进一步下降。结构参数表明 PEA₂PbBr₄八面体畸变更强，导致其结构稳定性下降、反应性增强。BA₂PbI₄虽具类似势垒，但因溶解度过高无法形成孔洞结构。

图2.溶液刻蚀反应动力学

随后，进一步研究表明，二维钙钛矿的刻蚀并非由表面缺陷触发，而主要由无机层内部应变驱动。HRTEM 与 GPA 分析显示，刻蚀后晶体应变显著释放，分布更加均匀；实空间形变分析与贯穿多层的刻蚀现象进一步验证了应变主导机制。该结果揭示了 IPA–配体刻蚀的本质来源，为二维钙钛矿图案化与结构调控提供了新的机理基础。

图3.刻蚀前后内应力分布变化

3.刻蚀边缘结构稳定性

此外，研究发现，二维钙钛矿在自发刻蚀过程中形成严格取向的方形孔洞，其边缘沿 [100]/[010] 晶向排列。HRTEM 和 ABSF 成像显示刻蚀边主要呈现仅暴露一个卤素的“zigzag”构型，而“armchair”构型从未出现，提示 zigzag 具有更高稳定性。DFT 计算进一步证实，在 BA₂PbBr₄、PEA₂PbBr₄与 PEA₂PbI₄中，zigzag 边的形成能均低于 armchair，源于更低的卤素暴露与反应活性。尽管不同配体会削弱差异，但不改变其趋势。该结果说明晶格对称性与键合各向异性主导了刻蚀的方向选择性，为面内图案化机制提供关键机理依据。

图4.刻蚀边的优势取向表征

4.马赛克结构的构建

最终，利用获得的具有可调孔径的多孔二维钙钛矿作为模板，通过温和条件下的顺序溶液端内反溶剂外延生长，实现不同卤素二维钙钛矿在孔洞中的精确填充，构筑大面积马赛克式横向异质结构。该方法适用于多种材料体系，包括BA₂PbI₄–BA₂PbBr₄、PEA₂PbI₄–PEA₂PbBr₄、PEA₂SnI₄–PEA₂PbBr₄ 和 PEA₂SnI₄–PEA₂PbI₄。光学、XRD、AFM 与 TEM 等多尺度表征证明嵌入区域与模板之间保持晶格连续、取向一致，清晰揭示了二维钙钛矿中可控面内异质结的形成机制，为低维材料的图案化集成提供了可推广的策略。

图5.二维钙钛矿面内马赛克异质结制备与表征

小结

本研究提出了一种兼具温和性与高精度的二维钙钛矿面内结构调控策略，通过溶剂刻蚀与反溶剂外延的协同作用，成功构筑出马赛克式面内异质结，实现了多颜色发光。该工作为二维钙钛矿的图案化生长与异质结构设计提供了新的思路，也为未来多功能光电器件的开发奠定了材料基础。

参考文献：

Zhang, S., Lu, Y. et al. Mosaic lateral heterostructures in two-dimensional perovskite. Nature (2026)

https://doi.org/10.1038/s41586-025-09949-1