Science：層狀鈣鈦礦納米線

一、【科學背景】

二維(2D)鈣鈦礦可以在溶液中合成，形成一維氫鍵有機網絡。這些納米線具有可定制的長度和高質量的空腔，為研究層狀鈣鈦礦中的各向異性激子行為、光傳播和激光提供了理想的平臺。目前，二維(2D)鈣鈦礦納米線的生長僅限于(BA)₂PbI₄的氣相生長，其中BA是丁銨，或(BA)₂(MA)_n?1Pb_nI_3n+1的光刻模板液相生長，其中MA是甲基銨，層數n為2到5。這些方法具有較高的加工復雜性和成本，以及有限的可擴展性和設計靈活性。值得注意的是，層狀鈣鈦礦的結構啟發了使用大體積有機間隔體來調控能隙和分子間π相互作用。層狀金屬鹵化物鈣鈦礦可以在溶液中合成，并且通過改變它們的組成調控光學和電子性質。

二、【科學貢獻】

? ? ? ??近期，普渡大學竇樂添教授團隊報道了一種分子模板方法，它能夠限制了鈣鈦礦晶體沿除[110]以外的所有晶體方向生長，促進了一維方向生長。研究者認為該方法能夠廣泛適用于合成具有大寬高比和可調有機-無機化學成分的高質量層狀鈣鈦礦納米線。這些納米線形成了非常明確和靈活的空腔，表現出比傳統鈣鈦礦納米線更廣泛的不同尋常的光學特性。研究者觀察到各向異性發射偏振、低損耗波導和有效的低閾值光放大。

圖1 基于不同有機陽離子的層狀[PbBr₄]₂-鈣鈦礦的形態和晶體結構比較

圖2 使用(BrCA₃)₂PbBr₄闡述2D鈣鈦礦納米線的生長機制以及形態和光學性質

圖3?層狀2D和準2D鈣鈦礦納米線的擴展庫

圖4各向異性發射偏振

圖5 波導和激光

• 三、【創新點】

在這項研究中，研究者們通過在有機分子之間引入強烈的相互作用來控制層狀鈣鈦礦的生長形狀。在本文實驗中，研究者使用了一種名為COOH二聚體的分子，在材料的有機層內部增強了單向的連接。令人意外的是，這種單向性影響到了整個組裝系統。研究者們發現，通過使用平面內定向的氫鍵來排列分子，可以引導材料的形成。這些氫鍵還能與周圍的水分子形成更強的聯系，從而推動材料表面形成對稱的結構。

研究者精心調控了氫鍵的排列和材料的生長方向，實現了平衡的生長條件，并成功制備了高質量的納米線。這些基于BrCA₃的二維鈣鈦礦納米線顯示出了不同尋常的光學特性。由于層狀鹵化物鈣鈦礦的獨特激子性質，它們能夠輕松地觀察和控制極化發射特性。

四、【科學啟迪】

對二維鈣鈦礦前驅體溶液進行定制化的分子模板法可以有效的控制二維鈣鈦礦材料的生長取向，從而制備出具有出色的腔體特性的層狀鈣鈦礦納米線光波導，可用作具有低傳播損耗系數的活性波導，并與其他系統相比，實現低閾值的光放大。

文章詳情：http://www.science.org/doi/10.1126/science.adl0920