半导体器件微型化、集成化发展中，精准构筑面内横向异质结构是关键，但二维卤化物钙钛矿的软晶格特性，让传统加工手段易破坏其晶体结构，这一难题长期困扰领域发展。近日，中科大张树辰教授团队联合普渡大学、上海科技大学研究人员攻克该难题，首次实现薄层二维钙钛矿单晶面内马赛克式横向异质结的可控图案化构筑，成果以《Mosaic lateral heterostructures in two-dimensional perovskite》为题发表于《自然》（Nature）。
1. 晶体自我雕刻
不同于传统的 “外力加工” 思路，这支研究团队独辟蹊径，想到了利用晶体自身的内应力，引导它完成 “自我雕刻”。
研究的第一步，团队首先通过溶液 - 空气界面法，制备出了尺寸超过 100 微米、厚度不足 20 纳米的大面积、高质量二维钙钛矿单晶纳米片，为后续的加工打下了坚实的材料基础。
内应力驱动的二维钙钛矿面内刻蚀与图案化策略 | 来源：中国科学技术大学
随后，团队设计了配体-异丙醇（IPA）溶液体系，可选择性激活二维钙钛矿单晶内自然累积的内应力，引导其发生可控自刻蚀，在单晶内部形成边缘平直、取向统一的规则方形孔洞，且不破坏周围晶格。
为提升刻蚀可控性，团队优化了溶剂体系，如改用辛醇降低溶解速率；结合图案化掩膜技术，还可制备周期性孔洞阵列，实现可编程图案化加工。
2. 揭秘刻蚀机理
为解析自刻蚀工艺的物理机制，研究团队通过微观表征手段开展了细致分析。
他们利用高分辨透射电子显微镜（HRTEM）结合几何相位分析（GPA）技术观测解析，发现刻蚀后晶体内部应变显著释放且分布更均匀。
实空间形变分析及贯穿多层的刻蚀行为，印证了晶体内应力是刻蚀的核心驱动力；借助HRTEM的环形明场（ABSF）成像，还发现孔洞边缘沿[100]/[010]晶向呈稳定“zigzag”构型，解释了方形结构的规整性。
这些表征结果揭示了异丙醇与配体协同刻蚀的物理本质，为二维钙钛矿的精细图案化与结构调控提供了新机理。
刻蚀前后内应力分布变化表征结果 | 来源：研究成果论文
3. 精准回填，构筑出马赛克面内异质结
完成可控自刻蚀获得带规则方形孔洞的模板后，团队采用反溶剂诱导快速侧向外延策略，将不同卤素组成的二维钙钛矿精准填充至孔洞，构筑出马赛克面内异质结。
该策略温和无晶格损伤，所得异质结界面清晰、厚度均一、周期可控，实现了高质量二维钙钛矿横向异质结构的制备。
团队通过多尺度表征验证异质结质量：光学表征系统确认其发光特性差异，X射线衍射仪（XRD）验证晶格匹配，原子力显微镜（AFM）证明厚度均一，透射电子显微镜（TEM）证实界面原子级平整无缺陷。
二维钙钛矿面内马赛克异质结结构与多尺度表征结果 | 来源：中国科学技术大学
4. 为二维半导体集成开辟新路径
张树辰教授表示，该加工方法无需拼接不同材料，而是引导单晶体自我组装，未来有望在超薄材料上制备可发不同颜色光的微小像素点，为高性能发光与显示器件提供新的材料体系和设计思路。
该研究首次在二维离子型软晶格材料中实现可编程、原子级平整的横向异质结可控构筑，突破传统工艺局限，其驾驭晶体内应力的新范式，为二维钙钛矿功能集成及低维软材料精密加工开辟了新路径。
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