钙钛矿莫尔超晶格，最新Nature Materials!

1.【科学背景】

莫尔超晶格通过利用空间变化的层间相互作用来改变电子能带结构，已经成为研究强相关量子现象的新平台。包括超导和莫特绝缘体在内的大量量子现象已经在魔角石墨烯和扭转双层过渡金属二硫化物（TMDCs）中实现。然而，层间相互作用仅限于层状石墨烯和TMDCs中相对较弱的范德华力，因此莫尔条纹引入的能量调制相对较小，目前为止，莫尔平坦带几乎只能在低温下被观察到。为了增加能量调制的深度实现室温莫尔材料，需要超越范德华力的层间相互作用。然而，制造厚度可控的大型二维非范德华材料具有很大挑战。钙钛矿晶体结构也可以构造具有独特莫尔性质的有趣几何形状，但是目前的方法难以制备具有构建莫尔超晶格所必须的、可良好控制扭转角的原子级光滑、超薄、无配体的大面积二维钙钛矿晶体。

2.【创新成果】

基于以上研究背景，美国普渡大学黄丽白教授、窦乐添教授（共同通讯作者）等人开发了一种无配体APbX₃二维钙钛矿的方法，其厚度可以低至~2-5 nm，任意基材上的尺寸可达10 μm以上。时间分辨光学显微镜显示，人为扭曲的结构具有方形莫尔条纹和10°扭转角附近的局域激子和电荷。这项工作展示了二维钙钛矿作为独特室温莫尔材料的前景。相关研究成果以“Moiré superlattices in twisted two-dimensional halide perovskites”为题发表在最新Nature Materials期刊上。

图1.平衡溶液法将RP相二维钙钛矿转化为APbX₃相的制备及表征。© 2024 Springer Nature

图2. 扭转钙钛矿层中的方形莫尔图案。© 2024 Springer Nature

图3. MAPbI₃扭转钙钛矿层中与扭转角相关的激子输运和湮灭。© 2024 Springer Nature

图4. MAPbI₃扭转钙钛矿层中与扭转角相关的光致发光。© 2024 Springer Nature

3.【科学启迪】

该研究结果表明，扭转的二维APbX₃钙钛矿超晶格是研究室温莫尔激子材料的一个新平台。这些结构引入的离子层间相互作用超越了传统二维材料中的范德华相互作用，从而拓宽了莫尔材料可用的选择范围。卤化物钙钛矿中明亮的直接莫尔激子也为设计能量和电荷转移泛函提供了更多机会。在此研究基础上，还需要进一步研究晶格弛豫效应对莫尔电势的影响。另外，由于钙钛矿晶格不耐受电子束照射，需要改进TEM技术来帮助直接成像观察界面晶格的弛豫和重建，揭示10°魔角的潜在原因。

原文详情：Zhang, S., Jin, L., Lu, Y. et al. Moiré superlattices in twisted two-dimensional halide perovskites. Nat. Mater. (2024). https://doi.org/10.1038/s41563-024-01921-0。