他，28岁任北航教授，今日再发Nature大子刊！

宫勇吉，1989年生。北京航空航天大学教授、博士生导师，2011年毕业于北京大学化学与分子工程学院，获得本科学士学位。2015在美国莱斯大学获得博士学位；2016—2017在美国斯坦福大学崔屹院士课题组从事博士后研究；2017年（28岁）加入北京航空航天大学材料科学与工程学院教授。入选2017福布斯中国30位30岁以下精英榜。主要研究方向为二维（2D）材料的规模化合成及其在新能源、信息器件方面的应用，包括锂金属电池、半导体器件等。在材料学相关领域以通讯作者或第一作者发表顶级期刊上百篇，包括Nature Synthesis, Nature Nanotechnology, Nature Materials, Nature Communications, Advanced Materials等。

最新《Nature Synthesis》：二维过渡金属磷硫族化合物及其高渗透合金的合成

近年来，研究人员对二维多组分材料（2DMCMs）进行了大量探索，例如 MnBi 2Te 4中的量子异常效应和 Co 3Sn 2S 2 中的大量子霍尔效应，其中合金化或高熵化合物可进一步增强这些特性，甚至诱导新物理现象。然而，要深入研究这些复杂体系的潜在机制，高质量、低成分偏差的二维晶体至关重要。目前，机械剥离方法虽简单，但制备的薄片形状不规则、厚度不可控；化学气相沉积虽可通过调控化学反应调节晶体生长，但其对生长温度、前驱体分布和气流控制等工艺参数要求极高，导致方法复杂且稳定性较差。此外，传统方法难以保证成分均匀性，常出现元素偏差或相分离，尤其是在含有四种或更多元素的复杂 2D 材料中，使得进一步探索其物理性质变得更加困难。因此，开发更可控、更稳定的合成策略对于推动这些新型二维材料的研究至关重要。

在此，北京航空航天大学宫勇吉教授团队提出了一种空间受限的化学蒸气传输策略，成功合成了高质量的二维多组分材料，避免了相分离和成分不均匀性。借助这一方法，作者制备了12 种类型的过渡金属磷硫属化物及其合金，其中包含最多 9 种元素。该策略通过结合化学蒸气输送和狭窄的生长空间，构建了一个均匀可控的蒸气环境，实现了选择性的横向生长，从而精确调控材料的成分和一致性，甚至可以合成高熵合金。在合成的 CuInP₂S₆ 材料中，作者观察到了室温铁电性，并检测到清晰的电滞回曲线和可切换的极化，表明通过引入镍杂原子可以进一步优化材料质量及其铁电性能。此外，作者还发现，过渡金属磷硫属化物的反铁磁性也可以通过引入杂原子进行调控。相关成果以“Synthesis of two-dimensional transition metal phosphorous chalcogenides and their high-entropy alloys”为题发表在《Nature Synthesis》上，第一作者为阙海峰,李泌轩为共同一作。

SCCVT 合成 2DMCM 主要经历三个阶段：（1）金属前体（如 Ni、Fe、Mn、Cr、Cu、Co、Zn）与磷、硫元素按预设比例混合；（2）前体在冷端气化，并向高温端输运；（3）气相成核与结晶在两个堆叠的基底（Si/SiO₂ 或云母）之间的狭窄空间内进行（图 1a）。狭窄空间使反应物浓度降低，抑制垂直生长，并提供屏蔽效应，确保表面干净。相比传统 CVT 需要一周时间生成大尺寸单晶，SCCVT 仅需 60-70 秒即可在石英管内形成毫米级晶体，且通过合理设定基底间隙、前体与基底的温度差和距离，可精准调控厚度。实验表明，在 NiPS₃ 和 CuInP₂S₆ 的合成中，无狭窄空间时厚度 >100 nm，而引入堆叠基底后，厚度降至 1-2 nm。此外，该方法可合成多达五元素的高熵合金，如 Ni 0.27Fe 0.4Mn 0.33PS 3，元素偏差小于 4.66%，并在 NbS₂ 和 Co₃Sn₂S₂ 等非层状材料的生长中展现普适性。SCCVT 还实现了精确的掺杂控制，例如 Ni-In-P-S 系列的掺杂比与前体比例高度一致，表明该方法在合成高质量、多组分 2D 材料方面具有广泛应用潜力。

图1：SCCVT的合成机制和生长

基于 SCCVT 在合成复杂材料方面的优势，作者扩展了可合成元素的范围，并探索成分控制的极限。高熵二维材料因其优异的机械性能、耐降解性及在催化、电子和自旋器件中的潜在应用而备受关注，但目前尚无通用策略可直接合成原子级薄层的高熵 2D 材料。作者利用 SCCVT 成功合成多种高熵二维材料，并研究了其晶体结构和成分均匀性。所有晶体直接生长在基底上，厚度低至 5 nm，横向尺寸 >100 μm，且在不同生长区域表现出一致的 SAED 图案（图 2a-d），表明高质量的单相合成。不同原子尺寸和价态导致晶格尺寸变化。EDS 测量（图 2e-h）证实，这些材料的元素分布均匀，无相分离或成分不均匀（图 2i-l）。对 25 个随机样品的 SEM-EDS 测量（图 2m）显示，In、Mn、Fe、Ni 的成分偏差均在 10% 以内，进一步表明 SCCVT 有效解决了高组分 2D 材料合成中的相分离和成分偏差问题，标志着该领域的一项重要突破。

图2：直接合成的2D TMPC及其合金的化学分析

作者进一步将元素数量扩展至九种，并成功合成了原子级超薄的九元素高熵合金。电子显微镜表征（图 3）显示，该材料具有d₁₁₀ = 0.545 nm，d₀₂₀ = 0.540 nm，相比于 NiPS₃（d₁₁₀ = 0.504 nm，d₀₂₀ = 0.517 nm）、NixFeyMnzCr₁₋ₓ₋y₋zPS₃（d₁₁₀ = 0.511 nm，d₀₂₀ = 0.523 nm） 以及 NiaFebMncIn₁₋a₋b₋cPS₃（d₁₁₀ = 0.527 nm，d₀₂₀ = 0.530 nm），晶格尺寸更大（图 3A），且未观察到明显的缺陷或晶格畸变（图 3B），表明晶体具有高结晶度。元素分布的干涉映射（图 3C-K）进一步证实了高度均匀的成分分布。此外，作者对未受保护的样品进行了长期稳定性测试，在空气中放置 2 个月后，拉曼光谱（图 3L）显示峰值几乎无变化，且表面未出现腐蚀形态，与 NiPS₃ 表现相似。这些结果表明，本文合成的高熵单晶材料在空气中具有优异的抗氧化稳定性。

图3：九元素高渗透合金NiaFebMncIndCoeZnfPSgSe3−g的结构表征和组成一致性

作者研究了 2DMCM 的物理特性并通过成分调控优化其性能。首先，使用 SCCVT 合成 CuInP₂S₆ 并研究其 室温铁电性，PFM 测试显示 28 nm 样品在施加电场（-7V 至 +7V）时呈现典型的蝴蝶形电滞回线和 180° 相位反转（图 4A-B）。进一步引入 Ni 合成 Ni₀.₅₄Cu₀.₇₃In₀.₇₃P₂S₆ 和 Ni₀.₇Cu₀.₃InP₂S₆，两者仍保持室温铁电性（图 4C），且极化切换所需电压降低，表明镍掺杂减少了铜离子的迁移能量。此外，作者研究了 TMPC 材料的反铁磁性，测试了 NiPS₃、FePS₃、MnPS₃、Ni₀.₅Fe₀.₅PS₃ 和 Ni₀.₄Fe₀.₃Mn₀.₃PS₃ 的磁性（图 4D-F），结果显示 NiPS₃、FePS₃ 和 MnPS₃ 的 Néel 温度 分别为 151K、116K 和 72K，并通过合金化调控了Néel 温度和磁序。这些研究为进一步探索2D 材料的成分-性能关系及物理机制提供了平台。

图4：通过本文的方法合成的单晶的物理特性

小结

本文证明，将 CVT 与限制的生长空间相结合，能够直接合成 十二种高质量 2D TMPC 及其高熵合金，并且即使对于九元素的复杂 2D 系统，仍能保持统一的元素分布，这在传统方法中难以实现。通过调整前体元素的比例，作者能够精确控制成分，从而显著简化了相关物理性能研究和设备开发。更重要的是，这种方法在成分控制上的优势可能为开发非常规相结构（如亚稳态阶段和超晶格）提供新的机会。

来源：高分子科学前沿

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