二维材料，Nature Materials！

研究背景

二维过渡金属硫族化合物（TMDs）因其独特的电学、超导和催化特性在下一代微电子和量子器件领域极具潜力。然而，TMDs的物理性能高度依赖于其原子级结构（如精确的单层厚度和成分排列），而现有的合成方法难以兼顾高产率的单层控制、原子级精确的Janus结构制备以及清洁的异质结界面集成，这限制了其在先进应用中的表现。

关键问题

目前，TMDs的合成主要存在以下问题：

1、层数精确控制与界面污染瓶颈

传统的CVD生长难以完全抑制多层形核，单层产率较低；且常规的异质结转移过程极易引入界面杂质，严重退化材料的本征性能。

2、Janus结构的单原子层选择性取代难题

合成打破面外对称性的Janus结构（如S-Mo-Se）需要对取代动力学进行极高精度的控制，现有方法难以避免双面随机取代导致的合金化。

新思路

有鉴于此，中国科学院物理研究所高鸿钧、杨海涛、深圳先进技术研究院丁峰以及中国科学院大学周武等人利用石墨烯或六方氮化硼作为范德华盖层，创造了一个引导二维TMDs（如NbSe₂和MoS₂）生长动力学的纳米局域环境，从而实现了具有定制形貌（从孤立单层畴到大规模连续薄膜以及本质图案化环）的TMD单层精确生长。此外，通过范德华保护的底面硫族元素替换，以原子级精度合成了Janus S-Mo-Se单层。重要的是，该方法同步产生了超洁净的范德华界面。这种原位封装可靠地保护了空气敏感材料，正如纳米局域NbSe₂单层增强的超导性所证明的那样。总之，该研究为先进应用中二维TMDs的受控合成与集成建立了一个多功能平台。

技术方案：

1、提出了TMD单层的纳米局域生长方法

  纳米局域CVD法在石墨烯/hBN盖层与基底间生长TMD，单层产率从41%提升至98%，原位封装保护空气敏感材料，NbSe₂暴露60天无氧化。

2、探究了纳米局域生长的动力学与热力学机制

DFT计算显示受限界面结合能更低促进单层形成，前驱体边缘嵌入定向扩散，面内边缘附着消除层间形核，打破传统生长平衡限制，为二维单层制备提供理论指导。

3、实现了Janus MoSSe的原子级精确合成

 纳米局域法利用盖层机械阻隔实现Janus MoSSe原子级控制，硒化前驱体选择性替换底面硫原子，PL峰位精确移动至1.72 eV，STEM证实单面原子选择性，为新型二维功能器件开辟了方向。

4、展示了本质图案化生长与卓越超导性能

 纳米局域法实现了TMD单层环图案化生长和Janus MoSSe原子级控制，NbSe₂超导转变温度达2.8 K，展现Ising配对保护，为高质量超导量子电路和新型二维功能器件提供技术支撑。

技术优势：

1、首创了纳米局域生长范式

研究通过石墨烯/hBN盖层的物理限域，实现了单层NbSe₂高达98%的生长产率，并同步构建了超洁净的范德华异质结。

2、实现了原子级精度单面取代

本文利用盖层的空间阻隔效应，成功实现了仅针对底面原子层的硫-硒替换，制备出高质量、窄发光峰的Janus MoSSe单层。

技术细节

TMD单层的纳米局域生长

本研究提出了一种基于纳米局域效应的化学气相沉积（CVD）新方法。实验首先将石墨烯或六方氮化硼（hBN）盖层转移至二氧化硅基底上，形成原子级平整的受限界面。在前驱体浓度逐渐升高后，单层TMD晶体在该纳米空间内形核生长。以单层NbSe₂为例，STEM图像清楚地显示了盖层、TMD层与基底之间的三明治结构，界面呈现原子级清洁。实验统计表明，在纳米局域环境下，单层晶体的产率从常规开放生长的41%大幅提升至98%。此外，这种原位封装不仅提升了生长精度，还为空气敏感材料提供了极佳的保护。实验证明，纳米局域NbSe₂单层在空气中暴露60天后，其拉曼特征峰依然保持尖锐，且未检测到氧化迹象，这极大地增强了材料在实际器件集成中的稳定性。这种受限环境不仅通过能量优化稳定了单层结构，还为后续的异质结同步集成提供了理想的工业化路径。

图  NbSe₂单分子膜的纳米限制生长

纳米局域生长的动力学与热力学机制

研究通过理论计算和实验定量分析揭示了受限生长的底层机制。在热力学上，DFT计算显示，相比于开放生长，NbSe₂单层在石墨烯/SiO₂受限界面下的结合能更低（更稳定），这在能量上促进了单层的优先形成。在动力学上，前驱体通过盖层的点缺陷或边缘进入受限空间，表现出明显的边缘嵌入和定向扩散特征。通过分析晶体相对于盖层边缘的生长不对称度（DGA），研究证实了前驱体从边缘向中心定向输运的过程。在这种狭小的限制空间内，前驱体只能通过面内边缘附着（In-plane attachment）的方式并入晶格，从而在物理上消除了层间二次形核的可能，确保了生长的单层精确性。这种独特的动力学限制打破了传统生长中沉积速率与表面扩散之间的精细平衡限制，为通用型二维单层材料的制备提供了理论指导。

图  纳米限制生长的机理

Janus MoSSe的原子级精确合成

合成面外对称性破缺的Janus结构（如S-Mo-Se）是二维材料领域的难点，因为能量上更倾向于形成随机取代的合金相。本研究通过纳米局域法，利用盖层的机械阻隔作用实现了对化学取代动力学的原子级控制。在受限生长的MoS₂单层中，顶面受范德华盖层紧密保护，使得硒化前驱体只能选择性地嵌入MoS₂与基底的界面，从而仅对底面的硫原子进行替换。光学表征显示，Janus MoSSe的拉曼光谱呈现出特有的A11振动峰，且光致发光（PL）峰位由1.83 eV精确移动至1.72 eV，证明了其优异的晶体质量和组分均匀性。STEM截面图像直接观测到上下原子层明显的亮度差异（对应Se与S原子），确证了成功的单面原子选择性。这种方法避免了传统化学合成中常见的双面误取代，为开发具有压电、铁电特性的新型二维功能器件开辟了新方向。 

图  纳米约束下Janus MoSSe单分子膜的原子级精确合成

本质图案化生长与卓越超导性能

该方法还展现出极强的形貌定制能力。通过精确设计盖层的几何形状并控制形核点分布，研究实现了TMD单层环的本质图案化生长（即直接生长出环状，无需后期刻蚀）。这些NbSe₂单层环表现出高度的结构连续性和优异的导电性，能够直接作为二维电路中的功能通道。在性能验证中，纳米局域生长的单层NbSe₂展现出高达2.8 K的超导转变温度（Tc），这一数值远高于以往CVD生长的样本，并接近机械剥离的最高水平。由于超洁净范德华界面的存在，其面内超导临界场展现出极强的Ising配对保护特征，能抵抗极高的外加磁场。这一成果证明了纳米局域生长平台在制造高质量、空气稳定的超导量子电路方面的巨大潜力，为二维材料从实验室走向规模化应用提供了关键的技术支撑。

图  NbSe₂单分子膜的内图案化生长

展望

本文成功建立了一种通用的纳米局域CVD生长平台，攻克了二维过渡金属硫族化合物在原子级精确合成、单层产率控制以及异质结清洁集成方面的多项长期挑战。该方法利用原位封装效应实现了空气敏感材料的长效稳定，并制备出高性能的Janus结构和本质图案化器件。研究取得的卓越超导性能指标为下一代高性能二维电子学和量子计算提供了全新的材料解决方案。

参考文献：

Bian, C., Zhao, Y., Guzman, R. et al. Atomically precise synthesis and simultaneous heterostructure integration of 2D transition metal dichalcogenides through nano-confinement. Nat. Mater. (2026). 

https://doi.org/10.1038/s41563-026-02495-9

已收藏 0

点赞 3