科學(xué)家開發(fā)單晶超晶格制備新策略

上海交通大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院教授崔勇團(tuán)隊(duì)聯(lián)合美國加利福尼亞大學(xué)洛杉磯分校教授段鑲鋒團(tuán)隊(duì)、浙江工業(yè)大學(xué)教授朱藝涵團(tuán)隊(duì)，圍繞配位模板驅(qū)動(dòng)原位組裝策略，利用鋯（Zr）基金屬有機(jī)框架（MOF）模板實(shí)現(xiàn)了金屬鹵化物亞晶格的定向成核生長(zhǎng)，成功構(gòu)筑了一系列新型多維單晶多孔超晶格框架，并實(shí)現(xiàn)了超晶格材料的手性轉(zhuǎn)換與手性光功能調(diào)控，為手性材料的構(gòu)筑與應(yīng)用開辟了新的思路與方法。2月6日，相關(guān)研究發(fā)表于《自然》。

超晶格材料能夠通過設(shè)計(jì)和調(diào)控周期性勢(shì)能及高精度層狀結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)可調(diào)的電子和光學(xué)特性，在二維電子氣、高電子遷移率晶體管、量子級(jí)聯(lián)激光器等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。如今，超晶格材料正從傳統(tǒng)的半導(dǎo)體超晶格向多尺度構(gòu)筑單元的自組裝體系轉(zhuǎn)型。發(fā)展新的合成策略，實(shí)現(xiàn)單晶超晶格的制備與結(jié)構(gòu)解析，是配位化學(xué)、合成化學(xué)和材料化學(xué)等交叉學(xué)科中的關(guān)鍵挑戰(zhàn)之一。

為解決單晶超晶格研究中的科學(xué)難題，研究團(tuán)隊(duì)提出了“MOF模板”策略，基于Zr-MOF配位模板，利用Zr簇不飽和配位節(jié)點(diǎn)的導(dǎo)向作用，成功合成了多系列高度有序的單晶多孔超晶格框架。在不同三維Zr-MOF框架內(nèi)，原位限域生長(zhǎng)的金屬鹵化物與MOF模板晶格精準(zhǔn)復(fù)合，成功制備出多維度的單晶超晶格框架。

值得一提的是，MOF孔道環(huán)境（如腔體的大小和形狀以及相鄰結(jié)合位點(diǎn)的方向）在調(diào)整金屬鹵化物亞晶格的維度方面發(fā)揮了關(guān)鍵作用，且該框架具有精確原子坐標(biāo)的高階超晶格結(jié)構(gòu)。

為進(jìn)一步探究限域成核的生長(zhǎng)機(jī)制，研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了時(shí)間依賴的成核控制實(shí)驗(yàn)，跟蹤和監(jiān)測(cè)碘化鉛（PbI2）在MOF中的原位生長(zhǎng)過程。結(jié)果顯示，在不同胺類分子的修飾下，類鈣鈦礦超晶格表現(xiàn)出維度依賴的光致發(fā)光和手性誘導(dǎo)的圓偏振發(fā)光性能。這種結(jié)構(gòu)/維度依賴的光電性能可以極大地推動(dòng)光電子學(xué)的發(fā)展，在量子計(jì)算、安全通信和高效顯示器方面具有潛在應(yīng)用價(jià)值。

PbI 2@MOF超晶格的低劑量高分辨電子顯微成像。圖片由研究團(tuán)隊(duì)提供