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合成高結晶共價有機骨架（COF）薄膜是推進其在二維（2D）光電子學中應用的迫切需要，但仍然是一個巨大的挑戰。

2024年12月2日，中國科學院化學研究所陳建毅、董際臣、郭云龍和北京大學趙曉續在國際知名期刊Nature Communications發表題為《Diffusion limited synthesis of wafer-scale covalent organic framework films for adaptative visual device》的研究論文，Minghui Liu、Junhua Kuang為論文共同第一作者，陳建毅、董際臣、郭云龍和趙曉續為論文共同通訊作者。

陳建毅，中國科學院化學研究所研究員。2002年本科畢業于青島科技大學，2008年碩士畢業于哈爾濱理工大學，2013年獲得中科院化學研究所博士學位。2013-2018年在新加坡國立大學從事博士后研究，2018年加入中科院化學研究所任研究員、博導。

陳建毅的研究領域為石墨烯材料與器件；有機二維原子晶體的設計與合成；有機二維電子學。

董際臣，中國科學院化學研究所研究員。2010年、2013年于山東大學獲得學士和碩士（導師：李輝教授）學位，2016年于香港城市大學獲得博士學位（導師：張開黎教授、丁峰教授）。2016-2020年于韓國基礎科學研究院進行博士后階段的研究工作（導師：丁峰教授）。2020年至今任中國科學院化學研究所研究員、博士生導師。

董際臣研究員致力于二維納米材料單晶的生長動力學、二維晶粒融合機制、大尺寸單晶二維納米材料制備及低維納米材料的力學及電學行為等方面開展了系統深入的工作，取得了系列重要進展。

郭云龍，中國科學院化學研究所研究員，國家優青。2010年獲得中國科學院化學研究所博士學位，2013年任中科院化學研究所副研究員，2013-2016年在日本東京大學從事博士后研究，2016年擔任日本東京大學副教授，回國后加入中科院化學研究所。

郭云龍的研究領域為有機聚合物半導體材料與器件；有機-無機雜化材料與器件。

趙曉續，北京大學材料科學與工程學院研究員/助理教授。2014年獲得新加坡南洋理工大學學士學位；2018年博士畢業于新加坡國立大學，導師：Stephen J. Pennycook & Loh Kian Ping教授；隨后留校從事博士后研究（合作導師: Stephen J. Pennycook & Andrew T.S. Wee教授）；2020-2022年在新加坡南洋理工大學作校長博士后（合作導師: Liu Zheng教授）；2022年加入北京大學。

趙曉續研究員主要從事球差掃描透射電鏡技術和低維材料生長，在低維量子材料亞原子尺度的結構解析、人工構筑與物性調控方向開展了系統研究，迄今在Nature、Nat. Nanotechnol.、Nat. Synth.,等高水平期刊發表SCI論文140余篇。論文被引超過11,000余次。

在這里，作者報道了一種晶圓級均勻共價有機框架薄膜的擴散限制合成策略，其中預先沉積的4, 4′, 4″, 4?-(1, 3, 6, 8-四(4-氨基芳基)）芘被一層共價有機骨架預聚物封裝在基底表面，不僅可以防止前體的溶解，而且可以限制與在溶液中溶解的對苯二甲醛的反應，從而調節聚合過程的尺寸。

薄膜的尺寸取決于生長襯底，研究人員在硅芯片上合成了4英寸薄膜，通過調整構建單元和聚合化學來控制它們的結構、厚度、圖案化和結晶度，并使用二硫化鉬作為基底來構建垂直異質結構。

測量結果表明，采用共價有機骨架作為感光層，異質結表現出增強的光電性能，可用于模擬視覺系統的自適應功能。

圖1：擴散限制合成2D COF薄膜

圖2：PyTTA-TPA COF薄膜的光譜表征

圖3：PyTTA-TPA COF薄膜的透射電子顯微鏡（TEM）表征

圖4：COF薄膜的GIXRD和STEM表征

圖5：機制和化學動力學的理論計算

圖6：基于PyTTA-TPA/COF/MoS₂的光電晶體管的光敏表征

綜上，作者報道了一種擴散限制合成策略，用于在晶圓尺度上制備高結晶性的共價有機框架（COF）薄膜，這些薄膜在二維光電子學領域具有潛在應用。

研究團隊通過控制前體分子的取向和單體的擴散，成功實現了在各種基底上直接合成具有高結晶度、可控厚度和低表面粗糙度的二維COF薄膜，并通過實驗和理論計算揭示了其生長機制。

該研究不僅推動了COF薄膜的工業化制備進程，還為開發新型仿生視覺設備和交互式人工智能應用提供了重要的材料基礎，具有廣闊的應用前景，尤其是在模擬人類視覺適應功能方面顯示出巨大潛力。

Liu, M., Kuang, J., Han, X.?et al.?Diffusion limited synthesis of wafer-scale covalent organic framework films for adaptative visual device.?Nat. Commun.,?(2024).

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