一种新的“金属交换”方法，用于创建2D材料的横向异质结构

导电二维（2D）材料由于其独特的性质，有可能在科学和技术领域开辟新的途径，目前是物理和化学研究的热点。此外，不同2D材料的组合，称为异质结构，扩大了其电学、光化学和磁学性质的多样性。这可能导致创新的电子设备无法单独使用单一材料实现

异质结构可以通过两种方式制造：垂直地，材料堆叠在一起，或者横向地，材料并排堆叠在同一平面上。横向排列提供了一个特殊的优势，将电荷载流子限制在一个平面内，并为特殊的“平面内”电子设备铺平了道路。然而，横向连接的建设具有挑战性

在这方面，使用有机材料制成的二维导电材料，称为“配位纳米片”，很有前景。它们可以通过结合金属和配体来产生，从具有金属性质的金属（如石墨烯）和半导体性质的过渡金属二硫属化合物到具有绝缘性质的金属和配体（如氮化硼）

这些纳米片能够实现一种称为转移金属的独特方法。这允许合成具有“异质结”的横向异质结构，而这不能通过直接反应实现。异质结是两种具有不同电子性质的材料之间的界面，因此可以用作电子设备

此外，通过利用配位纳米片的异质结，可以产生传统2D材料难以实现的新电子特性。尽管有这些优点，但作为一种制造异质结构的方法，对金属转移的研究仍然有限

为了解决这一知识差距，由日本东京科学大学科学技术研究所的西原浩史教授领导的一个日本研究小组使用顺序转移法合成了Zn3BHT配位纳米片的横向异质结

该团队包括同样来自TUS的Choon Meng Tan博士、助理教授Naoya Fukui、助理教授Kenji Takada和助理教授Hiroaki Maeda。这项研究由TUS、剑桥大学、国家材料科学研究所（NIMS）、京都理工学院和日本同步辐射研究所（JASRI）联合进行，于2024年1月5日发表在《Angewandte Chemie International Edition》杂志上。

该团队首先制备并表征了Zn3BHT配位纳米片。接下来，他们研究了Zn3BHT与铜和铁的金属转移。Nishihara教授解释道，“通过在温和的条件下将纳米片依次和空间有限地浸入铜和铁离子水溶液中，我们可以很容易地制造出具有跨金属铁和铜纳米片平面异质结的异质结构。”

这种方法是在室温和大气压下的溶液过程，从制备配位纳米片到制备平面异质结。该工艺与硅半导体光刻技术中使用的高温、真空、气相处理工艺完全不同

这是一个简单而廉价的过程，不需要大型设备。挑战在于如何制造出不含杂质的高度结晶的薄膜。如果有洁净室和高度纯化的试剂，商业上可行的制造技术将很快实现

研究人员获得的无缝异质结证明了电子电路中常见的整流行为。测试二极管的特性揭示了Zn3BHT配位纳米片的多功能性。这些特性无需任何特殊设备即可轻松更改。此外，这种材料还能够仅由单个配位片制造集成电路，而无需由不同材料进行任何拼接

Nishihara教授表示，“从我们的方法中获得的超薄（纳米厚）整流元件将对超大规模集成电路的制造非常有用。同时，具有平面内异质结的单原子层膜的独特物理特性可以导致新元素的开发。”

此外，通过使用这种转移反应，可以产生具有各种电子特性的结，如p–n、MIM（金属-绝缘体-金属）和MIS（金属-绝缘-半导体）结。结合单层拓扑绝缘体的能力也将使新的电子器件成为可能，如仅在理论上预测的电子分裂器和多级器件

总的来说，这项研究为制作横向异质结构提供了一种简单而强大的技术，标志着2D材料研究迈出了重要的一步