近期，我院青年教师程正旺博士与中国科学技术大学、陕西师范大学、中科院苏州纳米所以及美国犹他大学等高校科研团队合作，在国际权威学术期刊《Nature Communications》上合作发表了两篇Nature子刊论文，题目分别为“Large-scale 2D heterostructures from hydrogen-bonded organic frameworks and graphene with distinct Dirac and flat bands”和“Unveiling diverse coordination-defined electronic structures of reconstructed anatase TiO2(001)-(1 × 4) surface”。程正旺博士在STM和ARPES表征分析等方面做出贡献，为论文共同第一作者。
一、大尺寸二维氢键有机框架/石墨烯异质结的奇异能带结构
在先进半导体器件领域，二维材料因其独特的结构、电子和光学性质而备受瞩目。特别是石墨烯（Graphene）和众多二维材料的发现，极大地推动了低维器件的发展，被认为是实现下一代小尺寸、高集成度芯片的重要发展方向。然而，单一材料往往难以满足复杂电子器件的要求。因此，构建异质结成为提升器件性能的有效途径。其中，有机-无机异质结兼具有机薄膜的柔性和无机材料的可穿戴特点，结合后可扩展器件性能、实现特定场景的应用。然而，湿化学法等传统异质结构筑方法难以克服存在的界面污染、晶体质量差或尺寸限制等问题。
为此，合作团队开发了一种自下而上的工艺，基于有序自组装的氢键有机框架（THPB-HOF）和热解石墨（HOPG）间的强层间耦合，通过“自提升效应”成功制备出具有清洁界面和高度结晶化的二维大尺寸悬浮THPB-HOF/Graphene异质结（图1）。研究发现，这种异质结构不仅继承了THPB-HOF和石墨烯的固有属性，展现出独特的有机框架平带和石墨烯狄拉克能带，还观察到“分子石墨烯”窄带（图2）。该工作证明了通过自提升效应制备大尺寸二维有机-无机异质结的可行性，并可推广到大多数范德瓦尔斯材料。我校青年教师程正旺、陕西师范大学张鑫、美国犹他大学Xiaoyin Li、苏州纳米所陈爱喜/王鹏栋等博士为共同第一作者；陕西师范大学潘明虎教授、高健智教授，苏州纳米所李坊森研究员和犹他大学刘锋教授为共同通讯作者。
图1. 大尺寸二维有机/石墨烯异质结的自下而上制备过程(a)，STM图像(b-c)，以及理论计算的THPB-HOF有机层与HOPG顶层石墨烯间强耦合的自提升效应(d-e)及其能带结构(f)。
图2. THPB-HOF/Graphene异质结电子能带结构的ARPES测试结果。(a)投影布里渊区，(b)测试得到的费米面，(c-e)石墨烯狄拉克能带在THPB-HOF布里渊区的能带折叠，(f-i) THPB-HOF的宽范围能带结构，观测到相关平带及“分子石墨烯”窄带。
原文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-024-50211-5
二、锐钛矿TiO2(001)-(1×4)重构表面配位依赖的电子结构
过渡金属氧化物因其丰富的物理化学性质而备受关注，在催化、磁电、超导等领域具有广泛的应用。从原子尺度上理解阴阳离子配位环境与电子结构间的关系，有助于促进对复杂氧化物构-效关系的认识，也是科研工作者努力的目标。然而，精确测量和理解配位环境和电子性质，要求在能量、实空间和动量空间同时获得高分辨的全局参数，但这是一个具有挑战性的难题。
为此，合作团队结合高分辨STM、AFM、ARPES、UPS和DFT理论计算，以模型氧化物锐钛矿TiO2(001)-(1×4)重构表面为例（图3），系统研究了具有不同配位环境表面的特征电子结构。结果表明，O 2s、O 2p和带间Ti 3p能级的偏移位置能够敏感地反映表面O和Ti的局域配位环境，并与体态特征有所不同。该工作为理解其他氧化物表面复杂配位依赖的相关性质提供了范例。我院程正旺博士、中国科学技术大学马晓川/史永亮博士为共同第一作者，中国科学技术大学王兵教授、谭世倞教授为共同通讯作者。
图3. 锐钛矿TiO2(001)-(1×4)重构表面的原子结构模型(a)，高分辨STM、AFM图像(b-e)，代表性能谱及其峰位归属(f)。
原文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-024-46570-8
这两篇论文结合高分辨扫描隧道显微技术（STM/STS）、Q-Plus原子力显微镜（AFM）、高精度角分辨光电子能谱（ARPES）等多域实验表征和第一性原理计算（DFT），对材料表界面的局域原子结构、电子能带结构和电子态进行了深入的研究与探讨，对促进相关领域的发展具有重要意义。
