科学家合成超薄硫族化物薄膜，在2英寸晶圆级实现1nm薄膜生长

近日，湖南大学教授何勇民团队提出了一种亚 2nm 金属液滴驱动的非平衡动力学生长策略，设计了一个概念验证的实验对比组，借此揭示了决定生长模式的关键变量——驱动生长所用的铂金属团簇尺寸。无论在高温（500℃）还是在低温（120℃）下，当驱动生长所用的铂金属团簇直径 >2nm 时，生长行为均遵循热力学主导的路径，形成了不连续的三维岛状结构。当团簇直径被精确控制在 <2nm 时，生长模式被成功逆转。此时，生长过程由动力学主导，呈现出一种独特的二维平面结构：蚯蚓状的纳米带。

首先，他们开发了一种普适性合成策略，建立了一种适用于非层状金属硫族化合物（如 PtSeₓ、IrSeₓ、PdSeₓ、RhSeₓ 等）的单层非晶薄膜的规模化生长方法。

其次，他们揭示了生长动力学的机制，探索并实现了非平衡动力学路径（液滴驱动生长），改变了传统热力学主导的化学气相沉积（CVD，Chemical Vapor Deposition）生长模式。

这一研究的核心创新点是液滴驱动纳米带-薄膜转化策略。具体有以下几点：第一，实现了金属团簇低温融化，即金属纳米团簇在 120℃ 低温下熔化为 1-2nm 液滴；第二，实现了非晶纳米带生长，即让液滴引导单层非晶纳米带成核与延伸；第三，实现了跨尺度融合，即将纳米带动态合并为晶圆级连续薄膜（厘米尺度）；第四，实现了普适性验证，成功拓展至 PtSeₓ、IrSeₓ、PdSeₓ、RhSeₓ 等材料体系。

总的来说，本研究基于单层非晶金属硫族化合物合成缺失和非层状材料二维化生长的热力学困境两大背景，通过设计纳米液滴驱动的非平衡动力学生长路径，首次实现了晶圆级单层非晶金属硫族化合物薄膜的普适性制备，为二维非晶材料的基础研究与应用开发提供了新范式。

此次所合成的接近单层极限厚度的非晶过渡金属硫族化合物展现出多种优异特性：温度敏感的受无序度调控的导电性、较高的功函数适用于 p 型器件的金属-半导体接触，以及优异的电析氢性能。因此，在未来的若干年内，该成果一方面有望用于高效电解水制氢技术，利用其卓越的析氢反应（HER，Hydrogen Evolution Reaction）性能，开发高效、稳定的电解水制氢催化剂；另一方面有望用于先进半导体器件，利用其高功函数和可调控的导电性，应用于高性能 p 型场效应晶体管（p-FET，p-type Field-Effect Transistor）的构筑，优化器件的接触性能和载流子传输。

破除热力学限制，填补技术空白

非晶材料因其长程无序的原子结构、高浓度非饱和配位环境等特点，展现出区别于晶态材料的独特性质，在电子器件、能源存储与转化等多个领域具有广阔的应用前景。特别是近年来，随着原子层材料的涌现，其独特的二维量子限域效应、较强的平面共价键及高的比表面积等特性，激发了人们对非晶相的原子级厚度二维材料的兴趣。

比如，单层石墨烯是半金属性质，而其非晶态却具有绝缘性能 [1]；非晶态氮化硼薄膜具有的超低介电常数（1.78），能够用于高性能电子器件 [2]；而且，何勇民团队在前期发现，当非晶 PtSe₂ 材料薄至单原子层时，其催化电解水制氢性能尤为卓越 [3]。因此，深入探索原子级尺度下（≤1nm）非晶材料的合成方法以及研究其界面特性与构效关系，不仅能够拓展人们对非晶态物化性质的理解，还有望为电子器件和功能材料等领域带来新的应用前景。

与此同时，本次研究旨在解决的关键问题是：攻克单层非晶过渡金属硫族化合物（TMDC，Transition - Metal Dichalcogenides）材料合成中的两大瓶颈。

第一个瓶颈是热力学限制：与原子排布规整、层间作用力较弱的层状晶体材料不同，非晶材料在热力学上倾向于形成能量更稳定的三维岛状结构，以便最小化其表面能，因此无法自然生长为高稳定性的单层。

第二个瓶颈是存在技术空白：对于这些体相非层状的非晶材料，几乎无法通过自上而下的机械剥离方法获得单层结构。而在自下而上的生长办法中，虽然通过低温等离子体辅助 CVD 法成功制备出非晶碳单层，但由于其不饱和配位结构和种类繁多，尚未实现金属硫族化合物单层非晶薄膜的可控合成。

因此，研究团队提出了这一核心科学问题：能否通过非平衡动力学过程克服热力学壁垒，抑制非晶材料因表面悬挂键导致的三维岛状生长倾向，实现接近单层极限厚度的二维连续薄膜的可控制备？

揭开单层 MoS₂ 表面的“神秘面纱”

如前所述，该研究最初目标是利用溅射金属团簇在单层二维材料上实现纳米级穿孔，实现特定尺寸的分子过滤作用。然而，发现溅射金属对二维材料的损伤过大，难以进行后续转移和表征。

后来，研究团队改用热蒸发技术降低金属团簇动能，成功在二维材料表面形成纳米级金属颗粒，但穿孔效率低。与此同时，新加坡南洋理工大学教授刘政课题组观察到，在生长衬底预蒸镀金属颗粒后进行二维材料的生长时，金属会嵌入到二维材料晶界中形成一条条单金属原子链。

受此启发，他们将研究方向转向极小尺寸金属团簇在二维材料表面的生长行为研究。发现金团簇反应困难之后，他们借鉴兰州大学教授谢二庆团队的光还原技术，成功在二维材料表面生长出纳米级铂团簇。并初期尝试在其上生长异质结构二维材料，但是在单晶 MoS₂ 上只得到多晶 PtSe₂ 颗粒。

另据悉，研究初期他们以为失败的原因是生长温度过高导致 PtSe₂ 的奥斯瓦尔德熟化，所以他们开始逐步降低反应温度进行实验。在极低温（低于非金属 Se 熔点）条件下，虽然未检测到 PtSe₂ 的特征拉曼峰，却观察到 MoS₂ 表面颜色异常加深。秉持“反对本本主义，没有调查就没有发言权”的原则，研究团队进行了更深入和更全面的表征。结果意外发现，在 MoS₂ 表面生长出了接近单层厚度的非晶态 PtSeₓ 纳米带。

他们认为这个现象很有意思，于是系统性地优化了金属蒸镀工艺和生长条件，最终成功实现接近单层极限（~1nm）的晶圆级非晶 TMDC 薄膜的普适性制备。但是，研究团队一直无法解释这种合成办法背后的生长机制，便找到南京航空航天大学教授张助华合作，成功地通过理论计算和相场模拟揭示了其生长机制，即极小尺寸金属液滴因其在产物与衬底间界能的差异，在台阶处不断反应生成纳米带，最终实现非晶 TMDC 的二维平面生长。

研究团队对 DeepTech 表示，研究中最令人难忘的莫过于那个“颜色加深”的意外时刻。当他们在远低于常规反应温度（甚至低于硒熔点的极低温）下进行生长实验后，拉曼光谱显示预期的 PtSe₂ 晶态特征峰消失了。按照常理，这通常意味着反应未发生，衬底 MoS₂ 应保持原有颜色。然而，他们却清晰地观察到 MoS₂ 表面颜色显著加深。这个与预期截然相反的现象，在当时让人困惑不已：是吸附的硒元素，还是其他未知副产物？

他们并没有轻易下结论或忽略这一异常，而是果断投入资源进行更深入、更全面的表征分析。正是这种对实验现象的敏锐捕捉和不懈探索，最终引领他们揭开了单层 MoS₂ 表面那层“神秘面纱”的真相——极其薄的非晶态 PtSeₓ 薄膜。这个始于“异常现象”的发现，成为了整个研究的转折点和核心突破点，诠释了科学研究中严谨求证精神的重要性。

最终，相关论文以《亚 2 纳米液滴驱动的非晶态金属硫族化合物生长，接近单层极限》（Sub-2-nm-droplet-driven growth of amorphous metal chalcogenides approaching the single-layer limit）为题发在Nature Materials[4]，石祖德、秦文、胡知力是共同一作，新加坡南洋理工大学教授刘政、南京航空航天大学教授张助华以及湖南大学教授何勇民担任共同通讯作者。

基于该研究，研究团队拟拓展非晶体系的原子级厚度制造与应用，具体后续计划包括以下方向：第一，应用场景的多元化拓展：高效的电催化体系开发；基于超薄非晶材料的柔性电子器件开发；基于单层内无序度梯度材料的电子线路设计。第二，非晶态和晶态之间相互转化和关联的探究：原位监测非晶态生长成晶态过程；探索晶态和非晶之间的拓扑不变性。

参考资料：

1.Nature, 2020, 577, 199-203.

2.Nature, 2020, 582, 511-514.

3.Nat. Catal., 2022, 5, 212-221.

4.Shi, Z., Qin, W., Hu, Z. et al. Sub-2-nm-droplet-driven growth of amorphous metal chalcogenides approaching the single-layer limit.Nat. Mater.(2025). https://doi.org/10.1038/s41563-025-02273-z

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