华科翟天佑 Acc. Mater. Res. 最新综述：二维无机分子晶体的兴起与应用探索

第一作者：Kailang Liu

通讯作者：翟天佑

通讯单位：华中科技大学

论文速览：

本文综述了二维无机分子晶体（2D IMCs）的研究进展，自2019年首个2D IMC Sb₂O₃的发现以来，这一新兴领域迅速吸引了广泛关注。

文章详细介绍了2D IMCs的基本概念、独特的结构特性、以及在电子器件和基础物理研究中的潜在应用。

特别地，文章探讨了通过分子间相互作用调控2D IMCs电荷传输的新颖现象，并展示了Sb₂O₃作为范德华（vdW）介电材料在高性能2D电子器件中的应用前景。

此外，文章还讨论了2D IMCs在提高2D材料环境稳定性方面的潜力，为未来的研究方向和应用提供了新的视角。

图文导读：

图1：展示了传统2D原子晶体石墨烯与2D IMCs Sb₂O₃的结构对比。在传统2D原子晶体中，原子通过层内化学键和层间范德华相互作用连接；而2D IMCs由小无机分子通过全方位的范德华相互作用构成。

图2：介绍了Sb₂O₃作为首个报道的2D IMC的生长发现过程及其相变研究。

图中展示了Sb₂O₃二维片层的生长方法、晶体结构、光学显微镜图像、原子力显微镜图像、α-Sb₂O₃与β-Sb₂O₃的结构示意图、温度调节下的原位拉曼光谱以及Sb₂O₃相变引起的电导突变。

图3：阐述了利用多种无机分子晶体设计和构建新型分子晶体的初步想法。图中展示了双分子晶体SbI₃·3S₈的非中心对称性导致的二次谐波生成（SHG）现象，以及SbI₃·3S₈晶体在激光激发下的SHG强度变化。

图4：展示了无机分子间相互作用对2D IMCs性质的显著影响。图中展示了2D IMC Pe₄Se₃的合成、P4Se₃分子间距离、分子轨道的计算以及分子晶体的电荷载流子迁移率计算结果，以及通过压力调制分子间相互作用来测量2D IMCs电导的实验设置和应变依赖性。

图5：介绍了Sb₂O₃薄膜作为晶圆级vdW介电材料用于高性能2D FETs的应用。

图中展示了Sb₂O₃分子通过标准热蒸发沉积过程在基底上形成vdW薄膜的示意图、Sb₂O₃薄膜的图像、Sb₂O₃分子在2D半导体上的沉积以及形成的vdW界面、使用Sb₂O₃ vdW介电薄膜的2D FETs的迁移率提升以及采用Sb₂O₃顶栅介电的2D FET的结构和特性曲线。

图6：展示了使用Sb₂O₃作为缓冲层在2D半导体上集成混合介电层的过程。

图中展示了混合介电层在2D材料上的集成过程、沉积混合介电层的均匀性、横截面HRTEM图像揭示的介电层与2D材料形成的vdW界面、在双层MoS₂表面沉积Sb₂O₃的模拟结果、采用混合Sb₂O₃/HfO₂作为栅介电的2D FET的示意图以及使用超薄混合介电层的2D FET的转移特性曲线。

图7：展示了Sb₂O₃薄膜作为优异的封装层改善不稳定2D材料的环境稳定性的应用。

图中展示了Sb₂O₃分子层在2D材料上作为封装层的沉积和解封装过程、通过Sb₂O₃层封装的2D BP片层的原子结构分析、基于2D BP的FET在封装前后的器件性能比较以及有无Sb₂O₃封装的BP基FET的耐久性。

总结展望：

本文通过对2D IMCs领域的研究进展进行了全面的回顾和总结，揭示了这类新型材料在电子器件和基础物理研究中的巨大潜力。特别是Sb₂O₃作为vdW介电材料的应用，为2D电子器件的性能提升和环境稳定性改善提供了新的思路。

未来的研究将继续探索新的2D IMCs材料，深入理解分子间相互作用对材料性质的影响，并拓展这些材料在电子、光电子和能源科学等领域的应用。我们期待2D IMCs能够在科学研究和技术创新中发挥更加重要的作用。

文献信息：

标题：Emergence of Two-Dimensional Inorganic Molecular Crystals

期刊：Accounts of Materials Research