【材料】中国科大JACS：表界面合成化学构筑界面电荷转移型激子绝缘体方面的重要进展- 大数跨境

【材料】中国科大JACS：表界面合成化学构筑界面电荷转移型激子绝缘体方面的重要进展

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2024-07-31

导读：中国科学技术大学精准智能化学重点实验室吴长征教授课题组利用有机给电子分子的自组装插层策略，成功构建了一种有机-无机杂化超晶格，并观察到了没有周期性晶格畸变参与的界面电荷转移型激子绝缘态。

近日，中国科学技术大学精准智能化学重点实验室吴长征教授课题组利用有机给电子分子的自组装插层策略，成功构建了一种有机-无机杂化超晶格，并观察到了没有周期性晶格畸变参与的界面电荷转移型激子绝缘态。相关研究成果近日在线发表在《美国化学会志》（J. Am. Chem. Soc.）杂志上。

利用Co(Cp)₂分子自组装插层SnSe₂实现有机无机超晶格界面电荷转移型激子绝缘体

激子绝缘体是一种长期以来备受追捧的量子材料，通过电子-空穴束缚对（即激子）的玻色凝聚而自发打开带隙，产生关联绝缘态。六十多年前，理论预测可以在具有窄带隙的半金属或半导体中获得激子绝缘体态。备选材料需要具有特殊的能带结构，如小于激子结合能的小带隙值、空穴型价带和电子型导带，从而让电子与空穴可以在热平衡态发生配对和凝聚。然而，在已发现的几种激子绝缘体候选材料中，由于本征强电子－声子耦合的干扰，激子凝聚引起的绝缘态与晶格不稳定性引起的绝缘态难以区分，导致激子绝缘体的确凿实验证据难以获得。为了解决声子对激子绝缘体干扰问题，需要探索新的具有弱电子－声子耦合和维度降低的研究平台，实现晶格效应和激子效应的解耦，为研究激子绝缘体提供直接实验证据。

针对这一挑战，该团队提出了一种新的插层化学策略，即有机给电子分子的自组装插层。该策略可以同时产生界面能带工程和自发界面电荷转移的作用，从而构建出具有弱电子－声子耦合的层间激子体系，并获得电荷转移型激子绝缘体。通过二茂钴分子（Co(Cp)₂）自组装插层SnSe₂，Co(Cp)₂分子层自发地将电子注入无机SnSe₂层中实现电子空穴对空间分离，同时在带隙中引入一个有机价带以构造出小的激子带隙，从而有利于SnSe₂层导带上的电子与有机价带上的空穴配对。在Co(Cp)₂-SnSe₂超晶格中，作者在临界温度（约225 K）以下观察到激子凝聚形成的系列实验特征：没有周期性晶格畸变的电荷密度波、自发打开的激子带隙和电输运的金属－绝缘体转变。

该研究有别于传统客体插层调控主体材料基本物性的框架。基于有机给体分子插层带来的能带结构工程诱导出了不同于主客体材料的新物性，并让有机客体层与无机主体层之间产生相互作用，为二维材料的物性调控提出了新的方向和思路。

中国科学技术大学化学与材料科学学院博士生刘洋和吕海峰副研究员是本论文共同第一作者，精准智能化学重点实验室吴长征教授、郭宇桥副教授和化学与材料科学学院袁秉凯特任副研究员（现为中科院苏州纳米所副研究员）是本论文通讯作者。该项研究工作得到了国家同步辐射实验室（NSRL）、中国科学技术大学微纳研究与制造中心、理化科学实验中心和超级计算机中心的支持，也受到国家自然科学基金委创新研究群体项目、杰出青年科学基金项目、重大项目，以及科技部国家重点研发计划和中国科学技术大学青年创新重点基金等项目的资助。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面）：

Interfacial Charge-Transfer Excitonic Insulator in a Two-Dimensional Organic–Inorganic Superlattice

Yang Liu, Haifeng Lv, Yuqiao Guo*, Hongen Zhu, Zhengmin Shang, Yingcheng Zhao, Yue Lin, Xiaolin Tai, Ziyang Guo, Xuefeng Cui, Jiyin Zhao, Bingkai Yuan*, Yi Liu, Guobin Zhang, Zhe Sun, Xiaojun Wu, Yi Xie, Changzheng Wu*

J. Am. Chem. Soc., 2024, DOI: 10.1021/jacs.4c06216

导师介绍

吴长征

https://www.x-mol.com/university/faculty/73924