二维材料在催化化学、量子器件、信息存储等领域具有广泛的应用前景。二维材料的表面化学物种和结构决定了材料整体的光、电、磁、反应性等性质。研究二维材料的表面化学，对于功能材料的合理设计、合成和优化至关重要。近日，上海科技大学物质科学与技术学院刘朋昕课题组（模型材料与表面化学实验室）在该领域取得了系列进展，研究工作分别发表于国际学术期刊Small、ACS Applied Materials & Interfaces、Nanoscale。静电组装提升单原子层氧化锰纳米片的热稳定性二维材料的高比表面积和量子效应诱导的特殊表面电子态，在催化化学领域受到广泛关注。由于二维材料普遍存在热稳定性较差等问题，多数基于二维材料的催化研究集中于电催化、光催化等室温条件下的催化反应体系。针对此，刘朋昕课题组博士后陈少华等利用静电组装策略，将单原子层氧化锰纳米片包裹在二氧化硅球表面，将氧化锰的受热相变温度提高了两百度。基于此，单原子层氧化锰纳米片的本征热催化性能首次得到精准测定。此外，负载在上述材料表面的单原子钯物种也因这一特殊的零维-二维-三维（0D/2D/3D）结构，展现出更强的热稳定性。图1. 类似珍珠锦囊的零维-二维-三维结构具有高的热稳定性该研究成果发表于Small，物质学院刘朋昕课题组博士后陈少华为论文第一作者，刘朋昕教授为唯一通讯作者，上海科技大学为唯一完成单位。论文标题：Enhanced Thermal Stability and Oxygen Activation of Electrostatically Assembled Single-layer MnO2 for Thermocatalysis and Single-atom Catalysis论文链接：https://doi.org/10.1002/smll.202502627配位平衡辅助的共沉淀法合成高效过渡金属掺杂氢氧化镁纳米片催化剂当二维材料作为负载型催化剂的载体时，其高比表面积可有效提升活性物种的负载量。同时，二维单晶材料还可降低被负载物种的配位结构多样性。基于前期研究中发现的氢氧化镁纳米片的水相合成策略，刘朋昕课题组研究生马祥等利用配位平衡辅助的共沉淀方法，成功合成了一系列过渡金属掺杂氢氧化镁纳米片的单原子分散催化剂。该合成策略的核心在于调控两种反应平衡的竞争关系：前驱体的配位解离平衡和产物的溶解沉淀平衡。图2. 配位平衡辅助的共沉淀策略示意图该研究成果发表于ACS. Appl. Mater. Interfaces，刘朋昕课题组研究生马祥同学为论文第一作者，曹克诚、刘朋昕教授为共同通讯作者，上海科技大学为唯一完成单位。论文标题：Coordination Equilibrium-Assisted Coprecipitation Synthesis of Atomically Dispersed 3d Metal Catalysts论文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.4c17626质子化钛酸纳米管在酸溶液中的相变机理研究钛酸盐是一种在低温下合成金红石相二氧化钛的常用前驱体，但学术界对此相变反应的机理研究尚未达成共识。刘朋昕课题组研究生陈彦欣等系统研究了二维质子化钛酸卷曲形成的纳米管在酸溶液中的溶解行为，发现了钛酸奇特的溶解性规律。基于这一发现，团队证实了钛酸到金红石的溶解-再结晶相变机理，丰富了钛的溶液化学研究理论。图3.从质子化钛酸纳米管（PTN）合成金红石应经过溶解-再结晶过程该研究成果发表于Nanoscale，硕士研究生陈彦欣为论文第一作者，刘朋昕教授为唯一通讯作者，上海科技大学为唯一完成单位。论文标题：Revisiting the dissolution-recrystallization mechanism of rutile growth from protonated titanate nanotubes论文链接：https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2025/nr/d5nr00393h

近日，上海科技大学物质科学与技术学院沈晓钦课题组在光学领域国际权威期刊《光学》（Optica）上发表了题为《反演对称光学微腔中分子诱导表面二阶非线性》(Molecule-induced surface second-order nonlinearity in an inversion symmetric microcavity) 的研究论文，提出了硅基光子器件二阶非线性诱导新原理和新技术，为集成光芯片中传统硅基光子材料二阶非线性缺失难题提供了突破性的解决方案。研究背景：核心问题——硅光子材料的固有局限二阶非线性是现代光子学在经典与量子领域诸多核心应用的关键基础（如集成频率微梳、量子光源生成、芯片级光学原子钟等）。然而，具有天然的互补金属氧化物半导体（CMOS）工艺兼容性的硅基材料（如二氧化硅、硅和氮化硅），但因具有反演对称性，在电偶极近似下缺乏二阶非线性响应。这一材料本征缺陷，是国际公认制约硅基集成光子学发展的瓶颈之一。如何在硅基平台直接诱导产生有效的二阶非线性效应，是领域内亟待突破的核心挑战。早期研究曾尝试通过施加机械应力、外电场或强光电场等方式诱导非线性响应，但这些方法存在调控效率较低、稳定性较差、规模化较难等局限，难以满足实用化需求。为突破此限制，近年来的国内外研究集中在探索铌酸锂、氮化铝、砷化镓和硫系化合物等非中心对称的光子材料体系。这些新兴光子材料虽各具优势，但也普遍存在制造工艺复杂、与CMOS工艺兼容性不足等挑战。因此，探索在硅基材料中实现二阶非线性的新物理机制，发展无需颠覆现有CMOS工艺的新技术，对推动硅基集成光子学的实际应用具有决定性意义。创新方案：为硅光子器件披上 “分子铠甲”沈晓钦团队突破传统思路，采用课题组前期发展的原创技术，在二氧化硅回音壁模式微腔（一种能够高效捕获并增强光场的球形结构）表面，精准构筑了一层厚度仅1.2纳米（约相当于人类头发直径的十万分之一）的特殊单分子层。通过精密设计的非对称分子排列，破除了材料对称性禁锢，成功地在原本不具备该能力的微腔中诱导产生了显著的二阶非线性光学响应。这使得微腔能够通过“二次谐波产生”（SHG）过程，将入射的红外激光频率高效地转换为可见光频率。该创新方案可形象地比喻为在硅基光子元件表面披上了一层具有特殊功能的单分子层“精密铠甲”。图一：（a）分子诱导微腔二阶非线性理论模型，（b）模式相位匹配，（c）波导耦合微腔二次谐波实验简图，（d）单分子层表征与（e）分析示意图。在理论方面，研究团队创新性地将沈元壤先生在光谱学领域建立的表面二阶非线性光学理论融入微腔耦合模理论，提出“表面非线性-微腔耦合模”理论模型，阐明了极化分子层与模倏逝场（即延伸到微腔表面之外的光场）之间的强相互作用是驱动二阶非线性效率突破性提升的关键机制。根据理论模型预测，通过对器件结构的芯片级优化，可使转换效率再提升多个数量级。实验表明，在波长为1550 nm的低功率连续波激光泵浦下，装备了这种“分子铠甲”的器件，其产生775 nm可见光的频率转换效率，相较于未修饰的原始器件，实现了两个数量级提升。图二：器件的光学测试示意图及器件特征参数数据。图三：二次谐波产生过程分析与结果。本研究通过在硅基光学微腔表面构筑超薄、精密设计的非对称分子层——“分子铠甲”，成功突破了硅材料固有的中心对称性限制，在微腔中高效诱导出显著的表面二阶非线性效应，实现了通讯波段激光频率向可见光频率的高效转换（效率提升达2个数量级）。该工作不仅设计了创新的实验方案，更提出“表面非线性-微腔耦合模”理论模型，揭示了“极化分子层-微腔模倏逝场”强相互作用这一核心物理机制，为效率的进一步提升指明了方向。该技术目前尚处于原理验证阶段，但其路径有望扩展至氮化硅等其他主流集成光子平台，从而弥合二阶非线性光子集成与大规模、低成本半导体制造之间的鸿沟，满足未来对更高效率、更低功耗、更具成本效益的光芯片技术的迫切需求。物质学院沈晓钦教授为该论文唯一通讯作者，上海科技大学为唯一完成单位。论文第一作者为2024届硕士毕业生王茹，共同一作为2023届硕士毕业生戴阅。论文标题：Molecule-induced surface second-order nonlinearity in an inversion symmetric microcavity论文链接：https://doi.org/10.1364/OPTICA.541507