冷冻电镜/DFT计算联手，香港理工重磅Science！

第一作者：Hwa Seob Choi, Jun Lin, Gang Wang

通讯作者：殷骏，冷凯，林君浩，Kian Ping Loh

通讯单位：香港理工大学，南方科技大学等

本研究成功设计并合成了一种新型的全有机二维钙钛矿材料，命名为Choi-Loh范德华相（CL-v相），具有A2B2X4的化学式。

CL-v相展现出由层间氢键形成的范德华间隙，可作为分子级薄的二维有机晶体进行剥离或生长。该材料的介电常数介于4.8至5.5之间，展示了作为薄膜晶体管栅介质的潜力。

研究还发现，CL-v相的二维钙钛矿可以通过溶液法剥离或生长为具有大长宽比的分子级薄晶体有机层，并且通过控制溶液浓度实现了精确的厚度控制。

图1：展示了二维有机-无机RP相和其全有机类似物中的电荷平衡问题。

图2：描述了CL-v相的晶体结构，包括A位、B位和X位在立方单元格中的分布，以及通过氢键稳定的结构。

图3：通过冷冻透射电子显微镜（cryo-TEM）分析，提供了CL-v相的原子结构和元素特征的直接证据。

图4：展示了通过溶液法剥离和生长的CMD-N-P2超薄片层的原子力显微镜（AFM）图像。

图5：展示了CL-v家族的介电性能和使用CL-v相作为介质层的场效应晶体管（FET）器件的性能。

1. 本研究首次实现了全有机二维钙钛矿材料的合成，具有独特的Choi-Loh范德华相（CL-v相）结构。

2. 通过溶液法成功剥离和生长出分子级薄的二维钙钛矿晶体，实现了对材料厚度的精确控制。

3. CL-v相材料展现出优异的介电性能，介电常数介于4.8至5.5之间，具有作为薄膜晶体管栅介质的潜力。

理论计算：

密度泛函理论（DFT）计算内容主要集中在验证和理解全有机钙钛矿结构的稳定性和电子属性。

能带结构分析：计算了CMD-N-P2和BMD-N-P2的能带结构，包括带隙大小和能带对称性。这有助于理解材料的电子学性能，特别是对于光电应用的潜力。

电子密度分布：通过计算材料的电子密度分布，分析了材料中电子如何分布以及阳离子和阴离子之间的相互作用。这有助于揭示通过氢键等非共价相互作用实现层间结合的机制。

介电常数：DFT计算还估算了材料的介电常数，这对于评估其作为电子器件中介电材料的适用性至关重要。高介电常数可以减少器件的功耗，提高性能。

稳定性分析：通过计算全有机钙钛矿结构的形成能和分解能，评估了材料的热稳定性和化学稳定性。这有助于预测材料在实际应用中的耐用性。

冷冻透射电子显微镜（cryo-TEM）：

高分辨率成像：使用cryo-TEM技术获取了CMD-N-P2和BMD-N-P2材料的高分辨率图像。这些图像揭示了材料的晶格结构，包括原子排列和层间距离，提供了直接的结构证据来支持材料的分子设计。

晶格结构分析：通过对cryo-TEM图像的分析，研究者能够详细描述材料的晶格参数，如晶格常数和层间角度，这有助于进一步了解材料的结构特性和稳定性。

元素分布：结合能量色散X射线光谱（EDS）技术，cryo-TEM还被用于分析材料中各种元素的分布。这为理解材料的化学组成提供了精确的信息，进一步证实了合成方法的有效性和材料的纯度。

层间相互作用：特别关注了通过氢键等非共价相互作用实现的层间结合机制。这种结合方式对于全有机钙钛矿的稳定性和电子性能至关重要，cryo-TEM提供了直观的证据来支持层间相互作用的存在。

本研究成功设计和合成了一类新型的全有机二维钙钛矿材料，即Choi-Loh范德华相（CL-v相）。这种材料可以通过溶液法剥离或生长为分子级薄的二维有机晶体层，具有优异的介电性能和潜在的电子器件应用前景。研究结果不仅丰富了全有机钙钛矿材料的种类，也为未来的材料设计和应用提供了新的思路和方法。

标题：PEROVSKITES Molecularly thin, two-dimensional all-organic perovskites

期刊：Science