二维-三维卤化物钙钛矿异质结构因其兼具二维材料的优异环境稳定性和三维材料卓越的电荷传输性能，近年来在光伏和发光二极管等领域展现出巨大应用潜力。然而，该领域的核心瓶颈在于：由于碘化物钙钛矿对电子束高度敏感、二维与三维相之间普遍存在晶格失配和取向紊乱，以及界面处常常形成混合相和大量缺陷，研究者始终无法在原子尺度上清晰地观察和解析二维-三维异质界面的真实结构。这种认知上的缺失从根本上限制了对跨维度电荷分离与输运机制的理解，也阻碍了高性能钙钛矿光电器件的理性设计与工程化应用。
近日，西湖大学师恩政研究员团队及上海科技大学于奕研究员等研究者报道了一种基于化学亲和性匹配的范德华跨维度外延策略，成功实现了三维MASnI3单晶在二维(3T)2SnI4模板上的可控生长。通过精准调控前驱体化学计量比（尤其是MAI浓度），作者能够从孤立畴到连续单晶薄膜的尺度上，实现对三维畴取向、密度和覆盖率的确定性控制。借助低剂量球差校正透射电镜和叠层衍射成像技术，研究者首次在实空间直接观察到原子级尖锐、无位错的相干异质界面，并清晰分辨了界面处有序排列的双层有机配体及其对三维钙钛矿表面的均匀钝化效果。该外延方法还展现出对二维模板中螺旋位错等拓扑缺陷的高度容忍性，从而构建出具有显著圆偏振发光特性的螺旋异质结构。更重要的是，该方法可从微观单晶体系推广至毫米级宏观单晶薄膜，为连接基础研究和实际器件搭建了桥梁。电学测试表明，这类异质结器件表现出栅压可调的整流比（高达106）和优异的运行稳定性，直接验证了跨范德华界面的高效电荷分离与输运。
相关论文以“Coherent 2D–3D van der Waals perovskite epitaxial heterostructures”为题，发表在Nature Nanotechnology上。
图文导读
图1 2D–3D (3T)2SnI4–MASnI3 异质结构的vdW外延生长
图1展示了二维(3T)2SnI4与三维MASnI3 范德华异质外延结构的可控生长过程及其光学表征。作者以机械剥离的毫米级(3T)2SnI4薄片为晶种，通过溶液介导的同质外延获得规整的二维模板，随后引入含MAI和SnI2的前驱体溶液，在80 °C下通过等温溶剂蒸发诱导三维MASnI3在二维模板表面的选择性异质成核。共聚焦光致发光（PL）成像清晰显示，二维模板在~630 nm处呈现尖锐激子发射峰，而外延生长的三维畴在>900 nm处发出近红外PL信号，二者空间分布互补，证明异质结构的形成。关键在于，当MAI浓度从0.031 mol/L逐步提高至0.11 mol/L时，三维畴的平均面积从29.2 μm2增至46.9 μm²，表面覆盖率从57.1%升至80.8%；相反，当MAI浓度降低至0.0094 mol/L时，成核密度提高了约50倍，形成了高密度且晶体学取向一致的畴阵列。作者将这种MAI依赖的生长行为归因于MA+对(3T)2SnI4表面缺陷的钝化作用：低MAI浓度下更多未钝化缺陷充当了优先成核位点，从而提升畴密度。通过这种前驱体化学调控，作者实现了从孤立畴阵列到完全融合单晶薄膜的全范围可控制备，为后续的界面研究和器件构筑奠定了坚实的基础。
图2 横截面（3T） 2SnI4-MASnI3 vdW异质结构的低剂量TEM和STEM表征
结论展望
该项研究建立了一种普适性的范德华异质外延范式，实现了原子级相干的二维-三维钙钛矿异质结构的确定性合成。其核心突破在于：利用同族卤化物钙钛矿体系内固有的化学和结构亲和性，通过柔性的双层有机配体缓冲了约2%的面内晶格失配，从而避免了失配位错的形成，获得了传统共价异质外延难以企及的界面质量。该工作为钙钛矿异质结的精准工程化提供了清晰的原子尺度图像和可推广的合成路线，未来有望向更广泛的钙钛矿组分拓展、实现晶圆级单晶异质结的规模化制备，并在集成光电器件和手性光子学等前沿领域发挥重要作用。
文献信息
Xia, M., Chen, Y., Shen, H. et al. Coherent 2D–3D van der Waals perovskite epitaxial heterostructures. Nat. Nanotechnol. (2026). https://doi.org/10.1038/s41565-026-02201-5
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