我校物質科學與技術學院於奕教授課題組與美國普渡大學研究團隊合作，在新型半導體異質結研究中取得重要進展，首次成功製備並表徵了二維滷化物鈣鈦礦橫向外延異質結。北京時間4月29 日晚，研究成果以「Two-dimensional halide perovskite lateral epitaxial heterostructures」為題，在國際頂尖學術期刊《自然》（Nature）上在線發表。
半導體是資訊時代的物質基礎，而半導體異質結精準製備則是半導體器件的起點，是現代電子學和光電子學的重要基石。隨著社會對信息產品性能要求的不斷提升，半導體材料雖然經歷了以矽為代表的單質半導體、以砷化鎵等為代表的化合物半導體和以氮化鎵等為代表的寬禁帶半導體這三代半導體材料的快速發展，卻始終不能滿足人們對新型半導體材料的渴求。滷化物鈣鈦礦材料作為一類近年來引起廣泛關注的新興半導體，在太陽能電池、發光二極體、雷射等領域展示出巨大的應用前景。同時，與傳統的共價半導體不同，滷化物鈣鈦礦材料對缺陷的容忍度很高，因此在異質結的構建以及進一步器件的大規模集成方面具有得天獨厚的優勢。
在構建滷化物鈣鈦礦半導體異質結的道路上，有兩個科學難題一直在國際上沒有得到解決。一方面由於該材料易發生離子擴散，難以獲得高質量的原子級平整的異質界面。另一方面，滷化物鈣鈦礦對空氣、水分、電子束輻照等因素十分敏感，其微觀結構解析、特別是原子結構成像困難重重。缺乏原子結構信息的指導，材料的精準構築與性能設計難以開展。
我校於奕課題組與美國普渡大學研究團隊通力合作，在這兩個前沿難題的解決上取得了突破。通過在材料製備過程中引入剛性有機配體來抑制離子擴散，普渡大學團隊成功製備了二維有機-無機雜化滷化物鈣鈦礦橫向異質結。於奕課題組發展了低劑量像差校正電子顯微技術，首次揭示了二維橫向異質結的界面原子結構，直接有力地證實了普渡大學團隊已成功獲得了原子級平整界面。
由於含有大量有機成分，這類有機-無機雜化的材料是滷化物鈣鈦礦體系中最輻照敏感的一種，給高分辨結構解析帶來巨大挑戰，尤其是二維有機-無機雜化滷化物鈣鈦礦的原子解析度成像至今還從未被實現過。在針對輻照敏感材料的顯微成像上，現今最有效的手段當屬2017年諾貝爾化學獎授予的生物冷凍電鏡技術。生物樣品通常是對輻照最敏感的材料，但幾納米厚二維有機-無機滷化物鈣鈦礦材料由於其原子間結合力大幅度減弱，在電子顯微觀察過程中，變得比生物大分子還要脆弱，對於它們的原子尺度結構解析，是最先進的生物冷凍電鏡技術和材料像差校正電鏡技術都難以實現的。
於奕團隊基於在像差校正電子顯微學研究多年的經驗與技術積累，進一步發展低劑量的像差校正電子顯微技術，經過長時間的摸索與多次的嘗試與改進，最終找到了一種優化的低劑量成像方法，首次實現了輻照敏感的二維橫向異質結原子結構解析。這一突破提供的界面原子結構、缺陷構型以及晶格應變等的準確信息，為這類新型半導體異質結的微觀結構設計提供了最為直觀的指導。在這些研究發現基礎上，整個研究團隊進一步通力合作，成功展示了新型異質結原型器件中的整流效應，驗證了這類新型半導體走向應用的前景。
異質結界面處的高分辨晶格像
上海科技大學物質科學與技術學院電鏡中心（CEM）經過幾年的建設和運行，已經構建起了一套多元、開放的先進電子顯微平臺，於奕課題組2017級碩博連讀研究生原彪正是在這樣自由、創新的科研氛圍下成長和鑽研，與導師一起取得了研究課題的突破。電鏡中心主任、知名電子顯微專家Osamu Terasaki教授對該研究成果評價道：「上海科技大學是一所年輕而朝氣蓬勃的大學，物質學院年輕教授於奕指導研究生原彪在二維滷化物鈣鈦礦橫向外延異質結方面的研究中取得了矚目的成果。電鏡中心很高興支持了這個具有挑戰性和原創性的科研項目。我和CEM團隊共同祝賀優秀的年輕教授以及研究生同學取得的研究成果。」
在本研究中，美國普渡大學博士後Enzheng Shi（師恩政）和上海科技大學物質科學與技術學院2017級碩博連讀研究生原彪為論文共同第一作者。普渡大學Letian Dou（竇樂添）教授、Brett Savoie教授和上海科技大學於奕教授為論文共同通訊作者。樣品合成製備與分子動力學模擬計算由普渡大學團隊完成，原子尺度顯微結構研究由上海科技大學團隊完成。此外，美國麻省理工學院、加州大學伯克利分校研究團隊也參與此項研究。該研究工作得到了上海科技大學研究啟動基金、國家自然科學青年基金、上海科技大學物質學院電鏡中心(CEM)以及上海市科委自然科學基金的支持。
於 奕
物質科學與技術學院
助理教授、研究員、課題組長(PI)
主要研究方向為像差校正電子顯微技術在微觀結構分析中的應用。迄今在國際學術期刊發表論文60餘篇，引用5000餘次。部分重要成果以第一作者在Science、J. Am. Chem. Soc.、Nano Lett.等領域頂尖期刊發表。目前課題組包含博士後1名、博士生3名、碩士生4名，研究團隊平均年齡不到30歲。課題組誠聘博士後、助理研究員。
原 彪
物質科學與技術學院，2017級碩博連讀研究生
「科研是從已知探索未知的過程。考研時選擇上科大，是被這裡豐富的資源、優秀的老師以及良好的科研環境所吸引。記得自己剛入組，滿懷憧憬地觀摩師兄做電鏡實驗，也希望自己可以一路『過關斬將』，學會操作各種電鏡。可到實際操作時卻有些膽怯了，生怕操作失誤犯錯。慢慢地，在導師和師兄的指導下，熟悉電鏡之後變得『大膽』起來，敢於去探索新的功能。最初拿到樣品時，就發現這種材料對電子束尤為敏感，利用尋常的方法還未拍照時樣品就早已被電子束損壞了，只能去摸索新方法，經過反覆嘗試才得以成功。過程雖然曲折艱難，但唯有秉持迎難而上的決心，敢於去想像、去探索，才有可能取得突破。感謝上科大提供一流的科研環境，課題組老師的悉心指導、同學們的關心鼓勵以及電鏡中心老師們的熱心幫助。」
於奕課題組2019年合影
上海科技大學物質科學與技術學院（School of Physical Science and Technology）的核心使命是啟發、教育和培養物質科學領域的創新人才，並成為具備國際競爭力的原創性科研機構。學院致力於建設和推進獨特的學科交叉，設立了光子科學、凝聚態物理、材料和物理生物、大科學平臺發展五大研究部，力爭通過有辨識度的工作，解決目前在能源、環境、材料領域所面臨的關鍵科學問題。同時，學院積極踐行教學與科研並重的理念，以「國際化、高標準、強實踐」為特色，探索獨特的人才培養道路，成為新一代創新型、複合型人才的搖籃。
上海科技大學物質學院電鏡中心Centre for High-resolution Electron Microscopy (CEM)，始建於2015年，旨在建立一個國際一流水平的電鏡中心，成為集教學、科研等功能為一體的國際一流公共科學研究和技術開發平臺，服務於尖端物質科學領域的科學研究。中心由海外知名電鏡專家Osamu Terasaki教授擔任主任，建立了一支獨具特色的人才團隊。
迄今為止，平臺目前配備多臺透射電鏡、掃描電鏡、多樣化的樣品製備系統，包括世界領先水平的定製球差矯正透射電鏡2臺。電鏡中心的儀器設備不僅已經開放使用，還承擔了本科生和研究生相關實驗課程等教學任務。自成立以來，中心支持諸多課題組在Nature、Nature Materials、Science、 Nature Chem.、 PNAS、 J. Am. Chem. Soc.、ACS Nano、Angew. Chem.、Adv. Fun. Mater.、Energy & Environmental Chem.、 Chem.Mat.、 IUCrJ、 ChemCatChem、Chem. Sci.、Nanoscale、Appl. Phys. Lett.、Mater. Sci. Eng. C等國際知名學術期刊上發表了多篇論文。
來源：上海科技大學 上海科技大學物質學院