仪器情报，科学家利用多种表征揭示新型二维有机-无机异质结构的创新应用！

【科学背景】

随着二维材料研究的不断深入，二维有机-无机异质结的发展引起了广泛关注。这些异质结结合了有机和无机材料的优势，旨在实现新型器件和应用。然而，传统构建这些异质结的方法，如湿化学处理或机械剥离转移，往往伴随着界面污染、晶体质量差和尺寸受限等问题。因此，迫切需要一种新的策略来实现大规模、高质量的二维有机-无机异质结构。

为了填补这一知识空白，陕西师范大学物理学与信息技术学院高健智教授、 国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所李坊森、华中科技大学物理学院潘明虎教授、美国犹他大学刘锋教授合作在“Nature Communications”期刊上发表了题为“Large-scale 2D heterostructures from hydrogen-bonded organic frameworks and graphene with distinct Dirac and flat bands”的最新论文。他们开发了一种基于自下而上的制备方法。本研究以自组装的方式在高度定向热解石墨基底上形成了单层1,3,5-三(4-羟基苯基)苯（THPB）氢键有机框架（HOF），并通过强层间耦合实现了顶层石墨烯的自提升。这一过程在超高真空环境中进行，保证了界面的干净度和异质结构的高结晶性。

通过原位高分辨率扫描隧道显微镜/光谱（STM/STS）和角分辨光电子能谱（ARPES），研究人员详细表征了THPB-HOF的晶格结构和电子能带结构。他们观察到了THPB-HOF具有缺陷和无缺陷半部分的蜂窝结构，以及石墨烯层上的Dirac能带和THPB-HOF内的窄带。这项研究的成果不仅展示了自提升效应在制备大规模二维有机-无机异质结构中的有效性，还揭示了这些异质结构在电子性质和结构特征上的独特之处。

【科学亮点】

（1）实验首次采用自下而上的方法，成功合成了大规模漂浮的二维有机-无机异质结构，具有干净的界面和高结晶性。这种异质结构由单层THPB氢键有机框架（HOF）和自提升的石墨烯层组成，展示了优越的结构特性。

（2）通过在超高真空（UHV）环境中进行有机气相生长，获得了高质量的THPB-HOF晶格，其呈现出蜂窝状的特征，包含缺陷和无缺陷的半部分，类似于分子“石墨烯”。实验结果显示，石墨烯层的Dirac能带位于费米能级（EF）附近，表明其优良的电学性能。

（3）采用原位高分辨率扫描隧道显微镜（STM）和角分辨光电子能谱（ARPES）技术，观察到THPB-HOF的窄带和Dirac能带的共存。这些窄带位于更深的能量层面，显示了THPB-HOF的独特电子结构，符合DFT计算的拓扑平带特征。

（4）研究还发现，在隧道谱中出现的局部自旋态是由于π共轭THPB体系中pz轨道的去除，这为进一步探索材料的磁性特性提供了线索。

（5）该研究表明，自提升效应可以有效地构建二维有机-无机异质结构，具有大规模均匀性和长程有序性。这种方法不仅适用于THPB-HOF，也可扩展到其他范德瓦尔斯材料，为新型电子器件的开发开辟了新的方向。

【科学图文】

图1：大规模二维有机/石墨烯异质结构的自下而上制造。

图2：THPB-HOF的STM表征和第一性原理DFT计算。

图3：THPB-HOF/石墨烯能带的ARPES观测。

图4：在THPB-HOF上测量的隧道谱。

【科学结论】

本文通过自下而上的方法在超高真空环境中实现了高质量的异质结构，展示了控制材料界面和晶体质量的重要性。这一策略有效避免了传统湿化学和剥离转移过程中常见的污染问题，提示我们在材料合成中关注环境的影响，特别是微观界面的清洁度。

其次，实验结果表明，良序的氢键有机框架（HOF）与石墨烯的有效结合，不仅保持了各自的优异电子特性，还使得材料的性能得到了显著提升。这启示我们在设计新型复合材料时，应考虑不同材料间的相互作用，探索如何通过界面耦合增强整体性能。此外，研究中观察到的Dirac能带和窄带的共存，为我们理解二维材料的电子特性提供了新的视角。特别是局部自旋态的发现，提示我们可以通过调整材料的化学环境和结构，诱导出新的量子态，从而拓展材料的应用潜力。这为未来在量子计算、传感器等领域的研究提供了新的方向。

原文详情：Zhang, X., Li, X., Cheng, Z. et al. Large-scale 2D heterostructures from hydrogen-bonded organic frameworks and graphene with distinct Dirac and flat bands. Nat Commun 15, 5934 (2024). https://doi.org/10.1038/s41467-024-50211-5