实验室李宁教授团队：二维钙钛矿单晶的微观结构的高通量调控

二维金属卤化物钙钛矿由于其可调控的层状结构、高激子束缚能与优异的光电性能，已成为新一代光电器件的重要候选材料。然而，其基于溶液法的晶体生长高度依赖经验，特别是有机配体对晶体成核与生长机制的影响缺乏统一规律，导致晶体形貌调控难度大。如何在多参数体系中实现二维钙钛矿单晶形貌的精准可控合成，是当前制约其大规模应用的核心科学问题。

近日，华南理工大学发光材料与器件全国重点实验室李宁教授课题组利用高通量自动化蒸发结晶平台结合原位吸收光谱与分子动力学模拟，实现了二维钙钛矿单晶形貌的程序化调控，得到从一维纳米线到二维纳米片的可控转变，有望拓展其在微纳光电子器件、光学存储与片上光子学等领域的应用。

二维钙钛矿的溶液结晶过程受配体结构、溶剂动力学与中间相行为共同影响，传统方法往往依赖经验调节，难以揭示其普适规律。本研究构建了可在数分钟内完成上百组实验的高通量自动化平台，通过调控 14 种不同结构的烷基/芳香胺配体及其稀释条件（图1 a, b），首次系统揭示了“配体尺寸–溶质-溶剂结合能–晶体形貌”间的定量关系（图1 c）。

原位吸收光谱显示：短链配体导致 PbI2与二维钙钛矿在同一阶段成核（图1 d），遵循直接成核机制（图1 e），生成一维纳米线；长链配体因与溶剂间更强的结合能使 DMF 挥发受阻，从而在早期促使 PbI2先结晶并发生层状剥离（图1 f），诱导长链阳离子插层（图1 g），形成二维纳米片。分子动力学模拟进一步揭示，长链配体可在无机层间生成穿插构型，增强层间范德华作用并降低晶体表面能，使晶体趋向二维扩展而非一维延伸（图1 h, i）。

这一机制解释了二维钙钛矿形貌长期缺乏可控性的根源，并建立了可普适应用于不同配体体系的晶体生长规律。通过精确调控结合能与成核路径，研究团队实现了二维钙钛矿单晶在微米尺度上的可编程设计，为未来高分辨率显示、片上光子学和信息存储等方向奠定了技术基础。

图1（a）使用滴铸法高通量制备有机无机杂化二维半导体材料，得到以棒状和片状为主要特征的两类二维半导体材料晶体。（b）以14种配体类型和7种前驱体溶液稀释倍数为变量，设计高通实验。（c）在14种配体的特征结晶中随着配体分子大小的增加，二维半导体材料结晶形貌由棒状逐渐转变为片状。（d）(BA)2PbI4 结晶过程的原位吸收光谱显示，在阶段 II 中，约 445nm 处的PbI2特征峰与约 500nm 处的(BA)2PbI4特征峰同时出现。（f）(DDA)2PbI4的结晶过程中，在阶段 I 仅出现 445nm 的 PbI2特征峰，而其 525nm 的钙钛矿特征峰则在阶段 II 才开始出现。（e），（g）BA 与DDA 在CB中的结合能不同，导致它们的解离速率存在差异，从而调控 PbI2的瞬时溶解度，并诱导形成截然不同的钙钛矿结晶路径。（h）通过计算晶体长径比的方式定义棒状与片状结晶，以1.5为界限，使用烷烃配体和芳香烃配体制备的二维材料单晶长径比的统计柱状图。（i）从得到的高通量实验结果中可以筛选出14种配体的特征结晶。

相关研究成果以“Regulating the morphology of two-dimensionalperovskite single-crystals via high-throughput experimentations”为题发表在Nature Communications上，其中通讯作者为李宁教授，第一作者为齐婧妍博士生。该研究工作得到了中国国家自然科学基金（52394273 和 52373179）、TCL科技创新基金（20242065）、中央高校基本科研业务费（2025ZYGXZR024），以及广东省分子聚集发光重点实验室基金（2023B1212060003）等科研项目的资助。

原文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-025-66505-1