混结构密仪

【科学背景】二维（2D）半导体和范德瓦尔斯（vdW）异质结构是新兴的纳米材料，因其在设计纳米电子学、光电子学和纳米光子学方面的巨大潜力而成为了研究热点。在众多混合维度异质结构中，卤化物钙钛矿/2D半导体异质结构因其独特的光电和光子特性而脱颖而出。卤化物钙钛矿具有大的吸收系数和折射率、低陷阱密度、高光致发光量子产率、可调节的带隙等优点，这些特性为2D光电和光子器件提供了有效的补救措施。然而，实现高质量单晶卤化物钙钛矿/2D半导体混合维度异质结构仍然具有挑战性，主要问题包括材料结构在外部应力下的超敏感性和碘的复杂反应性。为了应对这些挑战，湖南大学段曦东教授团队提出了一种通用的范德瓦尔斯异质外延策略，通过这一方法成功合成了一系列高质量的单晶卤化物钙钛矿/2D半导体异质结构。通过选择特定的钙钛矿外延层和2D半导体，可以按需调整异质结构，涵盖从全无机到有机-无机混合类型的钙钛矿以及不同的2D半导体。这种方法展示了高晶面和对齐选择性，实验结果表明，这些异质结构具有显著降低的缺陷密度和均匀的能量景观，从而提供了增强的光增益特性和超低阈值且稳定的单模激光。此项研究拓展了范德瓦尔斯异质结构的应用前景，为片上光源和集成光电设备的发展提供了新的思路和方法。【科学亮点】（1）实验首次展示了通用的范德瓦尔斯异质外延策略，用于合成一系列晶面特异性的单晶卤化物钙钛矿/二维（2D）半导体（多重）异质结构。通过这种方法，可以在不同维度和成分的基础上，灵活地定制异质结构，包括从全无机到有机-无机混合的钙钛矿，以及单独的过渡金属二硫化物或2D异质结。（2）实验通过以下步骤和方法取得了一系列显著结果：&bull 方法：采用了范德瓦尔斯异质外延方法，将特定的钙钛矿外延层与2D半导体耦合，实现了高质量单晶异质结构的合成。该方法对CMOS兼容基板（如SiO2/Si）和光子兼容平台（如Si和LiNbO3）具有普遍适用性。&bull 结果一：通过选择不同的耦合层，可以广泛调整所获得的异质结构，从而实现可编程的异质结构，优化材料特性和设备性能。&bull 结果二：实验发现，外延的钙钛矿表现出高晶面和对齐选择性，这可能归因于热力学上有利的界面形成能及其在底层单层半导体的三重对称下形成的简并态。&bull 结果三：由于弱的范德瓦尔斯相互作用在异质界面产生不共晶/非相干的平面内晶格，实现了无键集成，最小化了失配引起的应变和缺陷。&bull 结果四：范德瓦尔斯外延钙钛矿半导体表现出显著降低的缺陷密度和均匀的能量景观，从而提供了增强的光增益特性和超低阈值且稳定的单模激光。&bull 结果五：实验合成的CsPbI2Br/WSe2异质结构展示了超高的光增益系数、降低的增益阈值和延长的增益寿命，归因于降低的能量无序。【科学图文】图1：卤化物钙钛矿/二维半导体异质结构的外延生长。图2：外延异质结构的界面能量。图3：单层WSe2和外延CsPbI3的原子结构图案。图4：晶面选择性外延生长的机制。图5：能量无序景观。图6：光增益响应。图7：卤化物钙钛矿/二维半导体异质结构的增强激光能力。【科学启迪】以上文章展示了通过范德瓦尔斯异质外延方法成功合成高质量的卤化物钙钛矿/二维半导体异质结构，并在光子学领域取得显著进展。这一研究不仅为开发新型光电子和光子器件提供了创新的材料平台，还突破了传统材料集成的限制。通过优化材料的光学性能和结构设计，实现了具有超低阈值和稳定性的单模激光器，为光通信和传感等领域的应用提供了新的解决方案。特别是，引入的单层半导体在促进钙钛矿的选择性外延生长和作为传输层方面发挥了关键作用，为电驱动片上激光器的实现奠定了基础。这项研究不仅推动了光子学领域的技术进步，还为理解和利用材料的光电特性提供了深刻见解，为未来量子光子学和光电子一体化系统的发展开辟了新的研究方向。原文详情：Zhang, L., Wang, Y., Chu, A. et al. Facet-selective growth of halide perovskite/2D semiconductor van der Waals heterostructures for improved optical gain and lasing. Nat Commun 15, 5484 (2024). https://doi.org/10.1038/s41467-024-49364-0

混合物组分分离及结构确证一直是分析化学面临的重要任务。近日，中国科学院青岛生物能源与过程研究所公共实验室黄少华等利用核磁共振（nmr）技术在该领域取得了新进展，提出了一种全新的能够同时实现组分分离和结构确证的简易通行分析方法，相关成果于9月4日在线发表于《德国应用化学》（ angewandtechemie）。 传统混合物组分分离及结构确证方法通常利用色谱学工具与波谱学工具进行联用，比如gc-ms、hplc-ms、hplc-nmr等。近年来，nmr方法学家们开发了一种被称之为&ldquo 核磁共振中色谱技术&rdquo 的dosy技术，能够无需进行实际色谱分离就能同时实现混合物组分分离及结构确证，大幅节约了分析时间与成本。但是，纯dosy技术需要在&ldquo 虚拟色谱固定相&rdquo 辅助下，才能在实际应用中显示出其优势。 黄少华带领的研究小组经过两年时间的摸索，发现了一种适用于dosy技术的通用&ldquo 虚拟色谱固定相&rdquo &mdash &mdash 聚二甲基硅氧烷（pdms）。该物质结构简单、成本低廉，并且其nmr信号接近于tms，不干扰其它分析物的信号，是天然的理想&ldquo 虚拟色谱固定相&rdquo ，可广泛应用于分析化学的各个领域。研究表明，pdms拥有强大的分离能力，所分离的化合物类型基本包括了大部分有机化合物类型。例如，pdms能够轻松基线分离氘代氯仿中的苯、萘和蒽混合物，并且能够同时得到每个组分的nmr信号。这些特点使得基于pdms的dosy技术具有重要的理论研究意义和实际应用价值。 在此基础上，合成化学家们可以用该技术部分代替tlc技术，实时跟踪目标化合物，了解化合物的组成与结构信息，而无需进行大量的分离提纯工作。同时，还可利用此技术部分代替经典色谱工具对复杂混合物进行分析，节约大量分析时间和成本。 上述研究得到了国家自然科学基金项目支持。 　　氘代氯仿溶液（0.6 mL）中苯（5 mg）、萘（5 mg）和蒽（5 mg）的1H DOSY(600 MHz)谱图。左图为溶液中没有添加PDMS的DOSY谱图；右图为溶液中添加PDMS的DOSY谱图。实验温度：298K。

被动式微混合器，是一种用于样品预处理的关键微流控器件。常见的两种微混合器有两个入口呈现180°的T型微混合器和呈现任意角度(通常小于180°)的Y型微混合器。这两类混合器结构简单、易于制备，但是混合时间比较长、混合效率比较低，很少单独使用，通常同另一种微混合器一起使用。为了提高微混合器的混合效率，科研工作者尝试进行微混合器入口、混合腔室结构的优化设计研究。在混合腔室的结构设计方面，常见的设计方案是在微通道中周期性的添加障碍物；另外，弧形微通道的引入、分流合并结构的设计以及微通道底部交错结构的设计等方案也极大地提高了混合效率。上述混合腔室的设计方案具有一个共同特点，即采用周期性重复混合单元结构提高混合效率。其中，两个混合单元的连接处既是前一个单元的出口，同时也是下一个单元的入口。然而，在设计过程中，关于单元连接的研究并没有得到重视。近日，沈阳工业大学张贺课题组基于面投影微立体光刻(PμSL) 3D打印技术制备了微混合器芯片，通过模拟结果与测试结果的对比，研究了单元连接对微混合器芯片性能的影响。该团队基于PμSL (nanoArch P150，摩方精密) 技术打印了一种具有重复结构的微混合器。微混合器是由平面T型入口通道和混合腔室组成，其中混合腔室是由6个立方混合单元以及单元之间的连接组成。最初设计的结构是一种研究中常见的微混合器结构，连接通道位于立方混合单元的几何中心，且微混合器的入口和出口位置同立方混合单元的连接通道位置重合。微混合器总长度为12.3mm；立方混合单元的边长是1mm；单元连接通道的长度是500μm，截面是边长为200μm的正方形。 图1. 最初设计的具有重复结构的微混合器图2.具有不同连接位置的微混合器的混合指数(模拟结果)图3.两种不同连接位置组合的微混合器的混合指数(模拟结果)图4. 可视化测试系统以及3D打印的微混合器的显微图像(Location 5) 图5. 3D打印的两种不同连接位置组合的微混合器在不同时间的显微图像 根据单元连接位置的不同分为九种微混合器，分别命名为Location 1- Location 9；该九种微混合器的混合指数模拟结果表明单元连接位置对微混合器的混合性能有显著的影响。在此基础上，将两种不同单元连接位置进行组合，用以提高混合器的混合效率。基于PμSL 技术制备了三种微混合器并进行了可视化测试。测试结果同模拟结果一致，表明单元连接位置对微混合器的性能确实有显著的影响，并且仅通过改变单元连接的位置，可以极大地改善微混合器的性能。该研究成果为优化微混合器的结构设计、提高微混合器的性能提供了新思路，以“The Influence of the Unit Junction on the Performance of a Repetitive Structure Micromixer”为题发表在Micromachines上。官网：https://www.bmftec.cn/links/10