近年来，二维材料范德华异质结在二维材料领域引起了广泛的研究兴趣。通过将不同的二维材料人工堆叠在一起形成异质结，范德华异质结可以具备单一二维材料并不具备的特性，进而可以研究一些由于基于二维材料超晶格产生的新颖物理化学性质，并制备出独特的电子/光学器件。二维聚合物晶体是一种构建范德华异质结的理想材料。因为二维聚合物具有不仅有单原子/分子厚度，还有周期性二维孔结构、结构可控、物理化学性质可调等突出特点。但是，合成基于二维聚合物的范德华异质结材料仍然存在着很大挑战。首先，在分子水平上精准合成晶态二维聚合物单层仍然十分困难。其次，如何实现单层二维聚合物的有效转移和可控堆叠还有待研究。另外，范德华异质结的新颖物理性质往往基于其强层间相互作用力，这一点在无机二维聚合物中由于其晶体规整性好层间晶体较容易匹配往往容易实现。而二维聚合物中晶体规整性较差，层间相互作用力不够显著，导致制备有效的基于二维聚合物的范德华异质结一直相当困难。
近年来，借助空气/水界面限域合成大面积、自支撑、单层或少层晶态二维聚合物得到了快速发展，也为基于二维高分子的范德华异质结的合成研究奠定了基础。在前期工作的基础上，来自德累斯顿工业大学的冯新亮、董人豪研究团队与乌尔姆大学、亥姆霍茲德累斯顿研究中心等合作通过Langmuir–Blodgett（LB）技术在空气/水界面合成二维聚酰亚胺单层膜和并通过范德华相互作用一步组装制备二维聚酰亚胺/石墨烯基有机/无机杂合异质结材料。该异质结的合成是通过水下相分散的石墨烯纳米片与水表面的二维聚酰亚胺发生范德华作用从而层层自堆叠实现。异质结厚度可通过石墨烯的分散浓度和反应时间进行调节。在这项工作中，作者通过掠角X射线衍射（GIWAXS）和高分辨电子显微镜确认二维聚酰亚胺和石墨烯共面堆叠。相关化学组成通过XPS、FTIR和Raman光谱进行了系统表征。飞秒瞬态吸收光谱（TA）表明二维聚酰亚胺/石墨烯异质结在质子化后发生超快层间电荷转移（约60 fs），该性质可与目前已报道的无机二维材料基范德华异质结材料相媲美。这种快速的层间电子耦合起因于质子化二维聚合物和石墨烯之间的较强的阳离子-π相互作用。该工作为二维聚合物单层膜及其范德华异质结的合成提供了一种有效的策略，发现了由界面耦合引起的独特电荷转移特性，为二维聚合物基范德华异质结的发展和光电功能研究打下了基础。
Fig. 1. Bottom: A general but reliable on-water synthesis and assembly strategy toward the preparation of 2D polyimide (2DPI)-graphene (G) van der Waals heterostructures (vdWHs) on the water surface is demonstrated. Top: femtosecond transient absorption spectroscopy reveals an ultra-fast interlayer charge transfer (~60 fs) after protonation in the heterostructure, which is among the fastest reports of vdWHs.
相关工作发表在Angew. Chem. Int. Ed. 上。刘珂君博士为文章第一作者，董人豪博士和冯新亮教授为通讯作者。
原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面）：
A Two-Dimensional Polyimide-Graphene Heterostructure with Ultra-fast Interlayer Charge Transfer
Kejun Liu, Jiang Li, Haoyuan Qi, Mike Hambsch, Jonathan Rawle, Adrián Romaní Vázquez, Ali Shaygan Nia, Alexej Pashkin, Harald Schneider, Mirosllav Polozij, Thomas Heine, Manfred Helm, Stefan C. B. Mannsfeld, Ute Kaiser, Renhao Dong, Xinliang Feng
Angew. Chem. Int. Ed., 2021, DOI: 10.1002/anie.202102984
|
京公网安备