分子半导体与二维材料的范德华异质结合，为柔性光电器件与低维集成光电子学开辟了新方向。其中，富勒烯（C60）作为经典分子半导体，具有优异的电荷传输和能级特性，但其高度对称的二十面体结构严重限制了其光致发光。如何突破其发光瓶颈，并将材料层面的性能提升有效转化为光电器件的实际优势，是该领域面临的关键挑战。
近期，清华大学深圳国际研究生院副教授徐晓敏团队与合作者提出了一种全新的“界面异质外延驱动”策略。研究团队在单层二硫化钨（ML-WS2）表面实现了C60分子的异质外延有序组装。由于界面处独特的各向异性压缩应变，有效诱导C60形成一维聚合链，从而打破了分子原有的对称结构。在此基础上，得益于异质结界面的高效Förster共振能量转移（FRET），C60薄膜的发光强度得到显著增强。这一材料层面的突破，同步实现了场效应晶体管与光电晶体管器件性能的全面提升。
图1. C60 在ML-WS2上的异质外延有序组装与形貌对比
研究团队采用热蒸镀法，在ML-WS2晶体表面沉积C60分子，成功构筑了大面积、高度有序的层状外延结构，该形貌与在蓝宝石等传统衬底上常见的无序团聚形态形成鲜明对比（图1）。
图2. 界面各向异性压缩应变与一维聚合链结构
原子尺度表征进一步揭示，界面处超薄的C60层内部存在显著的各向异性压缩应变，为相邻分子发生共价耦合并自发组装成一维聚合链提供了直接的结构证据（图2）。本研究工作在范德华异质结界面实现了完全由界面外延应变驱动的各向异性分子聚合。该过程无需依赖高压、强场等极端外部条件，在温和的界面环境中“原位”创造了一种新型碳同素异形体。这一发现为分子晶体的可控结构重构提供了全新的“界面工程”范式，也为探索低维碳材料的新奇光电性质开辟了新的研究平台。
图3. 界面能量转移与光电性能调控
值得关注的是，有序外延及应变诱导聚合打破了C60原有的结构对称，直接改变其发光机制，激活了原本受限的发光跃迁；同时，实验观察到单层WS2与C60在界面产生WS2向C60的FRET型能量转移（图3）。
图4. 界面电子结构与能级排列
研究团队进一步利用光电子能谱系统分析了体系的电子能级排列（图4）。结果表明，随着C60覆盖厚度的增加，界面处功函数变化极小，排除了显著电荷转移的可能；能带排列呈现轻微II型（接近I型能带排列临界）。光谱分析显示，C60吸收峰与WS2发射峰高度重叠，在界面晶格失配抑制电荷转移的条件下，激子通过共振能量转移实现了高效能量传递，最终导致C60光致发光强度的显著增强。
材料层面的“更亮”，最终也体现在器件层面的“更强”。ML-WS2器件常因金属接触处的费米能级钉扎效应而致使接触电阻偏高，引入C60作为界面层后，这一势垒被显著降低，实现了电荷注入效率的根本性改善。
图5. 场效应晶体管及光电晶体管性能
基于该界面工程策略，C60/ML-WS2异质结场效应晶体管展现出优异的电学性能，光电晶体管亦具备卓越性能（图5）。从能级调控、界面耦合到器件性能跃升，该研究贯通了“微结构—界面物理过程—器件性能”的一体化研究范式，为近红外发光与高灵敏光电探测提供了新的材料平台与工程路径，亦凸显了分子材料、二维材料异质结构在下一代光电子器件中的巨大潜力。
研究成果以“异质外延应变工程与界面能量转移协同提升C60/WS2范德华异质结构光电性能”（Heteroepitaxial Strain Engineering and Interfacial Energy Transfer Boosting Optoelectronic Properties in C60/WS2 van der Waals Heterostructures）为题，发表于国际期刊《先进材料》（Advanced Materials）。
本文第一作者为清华大学深圳国际研究生院2025届博士毕业生郭竟，徐晓敏、柏林洪堡大学教授诺伯特·科赫（Norbert Koch）为该论文通讯作者。论文的共同作者还包括深圳国际研究生院2025届博士生毕业生程志超、2021级博士生刘家荣、清华大学深圳国际研究生院教授刘碧录、韩国科学技术研究院研究员朴秀烔（Soohyung Park）、哈尔滨工业大学（深圳）教授何自开、中国科学院深圳先进技术研究院研究员成会明院士。
该研究得到了科技部重点研发计划项目、国家自然科学基金、广东省自然科学基金、深圳市优秀青年基金及高层次人才团队项目等的支持。
原文链接：https://doi.org/10.1002/adma.202516798
文/图：程皓林
编辑：吴鸿瑶
审核：林洲璐、叶思佳
