莱斯大学的科研团队及其合作伙伴制备出一种全新的二维（2D）半导体材料，其晶体结构对称性达到了迄今为止前所未有的水平。相关成果发表在《Nature Synthesis》上，被认为有望为太阳能电池以及其他光电子器件带来新的设计思路。

这类新材料属于二维金属卤化物钙钛矿，兼具有机与无机组分。传统由无机材料构成的半导体通常能形成高度有序、对称的晶体结构，而金属卤化物钙钛矿的晶格较为柔软，容易发生畸变，从而限制其电学与光学性能。

由 Aditya Mohite 领导的研究团队设计出一种多层二维钙钛矿结构，在其中几乎看不到这类畸变现象。这意味着能量在材料内部可以更自由地传输，而不易被局域或困住。

Mohite 表示：“在晶体对称性方面，这种材料是我们目前在多层二维钙钛矿体系中在室温下实现的、最接近完美对称的结构。”他是莱斯大学 William M. Rice 受托教授、化学与生物分子工程教授，同时担任莱斯工程能源转型与可持续发展倡议的教员主任。“所有被材料吸收的光都会形成称为激子的激发态，这些激子可以在材料中传播超过两微米而几乎不损失能量。能做到这一点的材料非常少见。”

在激子传输性能方面，这种新型二维钙钛矿比此前报道的钙钛矿材料高出约一个数量级，其表现已可与单层过渡金属二硫族化物相媲美。后者是一类重要的新一代二维材料，广泛用于超灵敏传感器和集成电子电路等领域。

这一突破与研究团队采用的独特制备工艺密切相关。与其让晶体在溶液冷却过程中自然生长并最终稳定在常规结构中，研究人员选择在较高温度下将晶体“取出”，从而将目标结构锁定下来，避免其在进一步冷却时发生结构转变。同时，以往研究多集中在较薄的二维钙钛矿，而此次工作则成功获得了更厚的多层结构。

Mohite 课题组博士毕业生、现为该组博士后研究员的 Isaac Metcalf（论文共同第一作者）解释说：“在两个方向上，它的结构就像传统钙钛矿，而在第三个方向上，则是由三个钙钛矿层连续连接在一起。此前，人们只能利用化学上较为稳定的甲脒阳离子将两层钙钛矿连接起来，这是首次有人在这种构型下实现三层甚至更多层的连接。”

层数的增加不仅改变了材料的结构维度，也显著影响了其与光的相互作用。随着钙钛矿层数增多，材料吸收光所需的能量阈值（带隙）会减小，使其能够覆盖更宽的太阳光谱范围。

Metcalf 指出：“材料能吸收的阳光越多，太阳能电池的效率就越有提升空间，这也是大家对这种新结构非常感兴趣的原因。”

研究团队还在一款概念验证的自供电光电探测器中测试了该材料的性能。这类器件可以将光信号直接转换为电信号。结果显示，基于新型二维钙钛矿制备的器件，相比采用另一种二维钙钛矿的器件，表现出更高的灵敏度和更快的响应速度，尤其是在较厚薄膜条件下优势更为明显。

这些结果不仅对下一代光电子器件和潜在量子器件具有启发意义，也与叠层太阳能电池的发展密切相关。叠层太阳能电池通过将两种或多种具有不同带隙的材料堆叠在一起，更高效地捕获不同波段的太阳光，从而提升整体转换效率。

莱斯大学博士毕业生、论文共同作者 Faiz Mandani 表示：“当前叠层太阳能电池面临的关键难题之一，是寻找合适的宽带隙材料。我们开发的这种二维钙钛矿在稳定性方面有明显增强，而且它的带隙非常接近叠层结构中所需的理想值，可以与硅或其他钙钛矿以及多种半导体材料进行有效配对。”

参与该研究的还有莱斯大学材料科学与纳米工程博士生 Jin Hou（论文第一作者之一），以及来自西北大学、隶属 Mercouri Kanatzidis 课题组的研究生 Jared Fletcher（同为第一作者）。Kanatzidis 与 Mohite 共同担任论文通讯作者。除莱斯大学和西北大学外，合作单位还包括纽约市立大学、雷恩大学、里尔大学以及内布拉斯加大学林肯分校等机构。