中华文明有五千年的历史，经历了瓷器时代、青铜器时代、铁器时代到当今社会，每个时代都有自己的代表材料表明当时的发展状况和文明程度。当今的这个时代是塑料和硅的时代，它们在我们的日常生活中扮演着重要的角色。
被称为“石墨烯之父”的2010年诺贝尔物理学奖获得者、英国曼彻斯特大学物理学教授安德烈·海姆曾经说过“未来将属于二维材料的时代”。但目前存在的问题是二维有机材料和无机材料之间有明显的分界线，没有办法进行有效的杂化。
2019年11月8日，芝加哥大学化学系Jiwoong Park教授团队在《Science》以First Ralease方式发布了名为“Wafer-scalesynthesis of monolayer two-dimensional porphyrin polymers for hybrid superlattices”的研究文章。Jiwoong Park教授团队采用层状自组装聚合（LPA）的方法完成了单层二维高分子的合成和组装，打破了有机材料和无机材料之间的壁垒，为合成新型杂化范德华异质结构提供了一种新的方法。
研究预览：从分子结构块中大规模合成具有广泛可调性的高质量薄膜，将推动具有设计功能的人工固体的发展。Jiwoong Park教授团队报告了二维卟啉聚合物薄膜的合成，其晶片尺度均匀性达到了单分子层厚度的极限。卟啉单体的层流组装聚合可以形成带有Cu2+连接物的金属有机骨架或带有对苯二醛连接物的共价有机骨架的单层。这些二维薄膜的晶格结构和光学性质直接受分子单体和聚合化学的控制。这些二维聚合物被用于制造二硫化钼混合超晶格阵列，可用在电容器等电子设备中。
芝加哥大学化学系JiwoongPark教授团队的这篇Science研究成果 ，已经有公众号推送并详细介绍过了，今日Science，首次合成二维高分子材料，打破有机与无机的壁垒。本次着重介绍文章中的测试方法——SEM。
扫描电镜（SEM）是利用聚焦的高能电子束对样品进行扫描检测，二次电子激发出高能电子信号，通过对这些高能电子信号的接受、放大和显示成像，最终获得试样表面清晰的组织形貌。SEM在材料科学领域的应用广泛，不仅仅此篇文章使用到SEM，还在其他领域有一定的应用。
2DPs单分子层的设计方法是基于卟啉构建块(图A)，这些分子有两个变异位点。其中一个位于卟啉环中心；另一个位于苯基上，可以控制单体-单体之间的化学键。这些单体连接主要有两种方式：第一种在存在Cu2+离子的情况下，单体可以通过铜桨轮结构的配位键进行交联；第二种在三叶醛(TPA)存在下的情况下，通过Schiff碱反应形成共价键。前者形成配位2DPs，也称为单层金属或金属骨架(MOFs)；而后者形成共价2DPs，也被称为单层共价有机骨架(COFs)。
LAP合成方法的原理如下：首先，通过注入更多单体扩大增长规模；其次，通过从每个喷嘴引入不同的单体和控制相对注入速率，控制生长单层2DPs的横向异质结；最后，单层2DPs 膜可与其他的模式和技术转移兼容。在保持复杂结构完整性的同时，可以结合多个制模和转移步骤来制作横向制模和纵向叠加的异质结构。
单层二维高分子物的表征
为了对制备得到的二维高分子材料有详细的了解，采用了多种表征手段进行测试。如上图A是单层2DPs I在氮化硅网格上的SEM图像，其中右上角是放大的单层2DPs I的SEM图像。从图中可以看出它们是一系列独立的2DPs膜，这些薄膜以近乎完美的方式悬浮在网格上，在整个区域内呈现均匀和连续的状态，几乎没有裂缝或空隙。这些网格化薄膜材料的产率非常高，超过了99%，如图A中箭头所示仅有一个破膜。为了进一步了解这些2DPs膜的详细信息，芝加哥大学化学系Jiwoong Park教授团队还使用了AFM对2DPs膜进行了表征测试。测试结果表明，2DPs膜的高度约1nm，基本上是单分子层膜的厚度，表面光滑均匀。
芝加哥大学化学系Jiwoong Park教授团队还使用了同步加速器掠入射X射线衍射(GIXRD)，证明MOF基2DPs I-III的聚合物结构。如下图中C所示，是以2DPs II为例的GIXRD图，面内XRD图谱显示了基于结构模式预测的主要峰，根据Scherrer方程，平均尺寸估计为20nm。
单层二维高分子物的表征
结合文章的主要内容，知道芝加哥大学化学系Jiwoong Park教授团队的创新点在于以LAP方法制备得到二维高分子材料。该材料是以共价有机框架（COF）或者金属有机框架（MOF）为基底，负载单原子层的薄膜，从而制备得到二维高分子材料，打破有机材料和无机材料之间的限制。因此，芝加哥大学化学系Jiwoong Park教授团队必须要使用多种显微结构了解制备得到的二维高分子材料的表面形貌是否是单原子层结构以及表面结构的均匀性、光滑性等。
SEM的应用非常广泛，不仅仅可以进行普通的形貌观察，还可以获得多方面的信息。具体来说有以下2项：
能够进行动态观察。在扫描电镜中成像的信息主要是电子信息，根据近代电子工业技术水平，即使高速变化的电子信息，也能毫不困难的及时接收、处理和储存，故可进行一些动态过程的观察。如果在样品室内装有加热、冷却、弯曲、拉伸和离子刻蚀等附件，则可以通过投影装置观察相变、断裂等动态的变化过程。
从试样表面形貌能够获得多方面信息。在扫描电镜检测过程中，不仅可以利用入射电子和试样的相互作用，产生各种信息进行成像，而且可以通过信号处理方法，获得多种图像的特殊显示方法，还可以从试样的表面形貌获得多方面信息资料。扫描电子图像不是同时记录的，它是分解为近百万个像素点逐次依此记录构成的。因而使得扫描电镜除了观察表面形貌外，还能进行成分和元素的分析，以及通过电子通道花样进行结晶学分析，选区尺寸可以从10μm到3μm。
文章总结：芝加哥大学化学系JiwoongPark教授团队采用内部合成技术、层状组装聚合方法制备二维高分子材料，实现有机-无机杂化超晶格，打破了有机与无机的壁垒，为合成新型杂化范德华异质结构提供了一种新的方法。同时制备得到的二维高分子材料的功能化为更多功能性的纳米电子器件提供了无限的可能性。
DOI：10.1126/science.aax9385
