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高分子科学前沿 · 公众号 · 化学 · 2025-02-06 07:26

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近日，上海交通大学崔勇教授、加利福尼亚大学洛杉矶分校段镶锋教授和浙江工业大学朱艺涵教授合作通过金属有机框架（MOF）模板策略，成功合成了一系列单晶多孔超晶格材料。该材料由零维、一维和二维金属卤化物单元周期性排列构成，展现出高度可调的光电特性与手性光学性质，为量子信息、自旋电子器件等领域提供了全新材料平台，相关论文以“Metal-halide porous framework superlattices”为题，发表在《自然》期刊，第一作者为Wenqiang Zhang。

创新方法：MOF模板引导超晶格精准合成

研究团队利用锆（IV）基MOF作为宿主模板，通过配位辅助组装策略，将铅、镉、镍等金属卤化物（如PbI₂、PbBr₂、CdI₂、NiBr₂）精准嵌入MOF的纳米孔道中，形成原子级精确的单晶超晶格结构。通过调控MOF模板的孔道尺寸、形状及配位位点，研究人员实现了从零维纳米团簇、一维纳米链到二维纳米片的多维度超晶格构建。单晶X射线衍射与高分辨透射电镜（HR-TEM）证实，材料结构具有原子级有序性，且不同维度的超晶格展现出独特的光电响应特性。

图1.多维PbI₂@MOF超晶格的结构表征。

图 2.在逐步生长过程中监测中间态。

图3.PbI₂@MOF超晶格的低剂量低温 HR-TEM 图像。

光学性能突破：可调光致发光与强手性效应

进一步研究表明，通过胺类分子（如手性α-甲基苄胺）修饰超晶格表面，材料的光致发光性能可实现动态调控，其发光量子效率达1%-15%。更引人注目的是，手性胺分子的引入使材料在室温下展现出高达13%的圆偏振发光不对称因子（g值），低温下可达29%，刷新了有机-无机杂化材料的纪录。这种强手性光学效应为开发量子信息编码器件和手性光电传感器提供了关键材料基础。

图 4。胺改性钙钛矿样PbI₂@MOFs超晶格的制备和光学表征。

应用潜力：从量子技术到高效光电器件

团队通过超快瞬态吸收光谱分析发现，多维超晶格可显著延长光生载流子寿命（最高达1.6纳秒），表明其在高效光催化、太阳能电池等领域具有应用潜力。此外，材料的永久孔隙率（比表面积最高达1083 m²/g）为分子吸附与分离技术提供了新思路。这种模板合成策略具有高度普适性，未来可通过组合不同MOF与功能单元，设计性能更丰富的‘人工量子固体’。

技术细节与验证

实验采用多种先进表征手段，包括低温低剂量HR-TEM直接观测超晶格原子排列，以及密度泛函理论计算揭示电子转移机制。研究还证实，MOF模板的柔韧性对金属卤化物的生长维度起决定性作用——刚性MOF（如PCN-609）仅能形成半填充二维结构，而柔性MOF（如PCN-606）则支持全填充二维层状超晶格。

该研究不仅突破了传统晶体材料的性能限制，也为多维功能材料的精准设计开辟了新路径。这一平台技术有望推动超晶格材料在量子计算、手性光电子学等前沿领域的实际应用。