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首次看清二维晶体的“出生全过程”！

二维材料因其独特的层状结构和优异的电学、光学与力学性能，被视为下一代电子器件、光电器件和能源器件的关键材料。其中，二硫化钼（MoS₂）作为最具代表性的二维半导体之一，已在晶体管、传感器和异质结中展现出巨大潜力。然而，真正制约其规模化应用的，并不是性能本身，而是“如何长出来”这一根本问题。在化学气相沉积（CVD）过程中，MoS₂的成核与早期生长极其短暂，传统表征手段难以捕捉原子尺度下的动态演化，导致人们对二维晶体究竟如何从“无序”走向“有序”长期停留在理论推测阶段。成核是否遵循经典成核理论？是否存在中间态？这些关键问题，一直缺乏直接实验证据。

今日，北京科技大学王荣明教授和张智宏副教授首次在原位环境透射电镜（ETEM）中，以原子分辨率完整记录了MoS₂在CVD条件下从前驱体、无定形团簇、二维无定形“胚胎”，最终演化为晶态二维晶核的全过程。研究揭示：MoS₂并非一步直接结晶，而是经历了一个多步、非经典成核路径，其中二维无定形中间体起到了关键桥梁作用。结合分子动力学模拟，团队还发现晶核形成存在明确的临界尺寸效应，并捕捉到晶核在早期生长阶段通过聚集与定向附着降低晶界缺陷的全过程，为二维材料的可控生长提供了清晰的物理图景与理论依据。相关成果以“Atomically resolved two-dimensional amorphous nuclei formed during MoS2 chemical vapor deposition”为题发表在《Science》上。Huanyu Ye、Chongteng Wu和Duanyun Cao为共同第一作者。

王荣明教授和张智宏副教授

在TEM里“搭建”一个真实的CVD反应器

研究首先解决的是“怎么看”的问题。团队设计了一种微型CVD反应腔，将加热芯片与环境透射电镜集成，使MoO₃和硫在高温下真实反应的同时，仍能被电子束原位观测（图1a）。随着温度升高，MoO₃逐渐发生相变并转化为MoO₂纳米晶（图1b–d），这些纳米晶随后成为MoS₂生长的“种子”。当温度达到约800 °C时，在MoO₂表面可以清晰观察到层状MoS₂逐层向外生长，其层间距与典型MoS₂完全一致（图1e,f）。这一过程直接证明，MoS₂并非由固态MoO₂“原位转化”，而是通过气相MoOx物种吸附后逐层外延生长（图1g），厘清了长期存在争议的生长起点问题。

图1：ETEM中构建微型CVD反应腔

二维晶体并非“一步成核”

真正的突破出现在成核阶段的捕捉中。通过降低硫源供给速率、放慢反应动力学，研究人员首次在毫秒尺度上观察到：MoS₂的最初形态并不是晶态，而是尺寸约1 nm的无定形团簇（图2a，30 s）。这些团簇随后迅速重排，形成超薄但仍缺乏平面有序性的二维无定形层状结构，被作者称为“二维胚胎”（2D embryo）（图2a，58–85 s）。只有在进一步发生面内原子重排后，才最终转变为单层晶态MoS₂晶核（图2a，116 s）。

定量FFT分析清楚表明，在二维胚胎阶段，晶体的“层状结构”已形成，但真正的晶格周期性尚未建立（图2b）。这直接证明，MoS₂成核遵循的是一种无定形团簇 → 无定形二维胚胎 → 晶态晶核的多步路径，而非经典理论假设的直接有序堆积。

图2：MoS₂多步成核路径：无定形团簇到二维无定形胚胎再到晶态单层晶核

晶核形成有“门槛”，尺寸决定命运

进一步研究发现，并非所有无定形团簇都能顺利结晶。通过统计不同条件下团簇的尺寸演化，作者发现，当团簇尺寸小于约1.7–2.0 nm时，体系更倾向于保持无定形状态；只有超过这一临界尺寸，二维胚胎才会发生面内有序化并转变为稳定晶核（图3a–c）。

分子动力学模拟给出了清晰解释：小尺寸团簇结晶所需跨越的能垒更高，而随着尺寸增大，能垒迅速降低，晶态结构也更稳定（图3d）。这一发现不仅解释了实验现象，也为调控成核密度、晶粒尺寸提供了直接抓手。

图3：无定形团簇向晶核转变的尺寸依赖性与临界尺寸效应

早期生长中，晶体会“主动减少缺陷”

在成核之后，研究还完整记录了MoS₂晶体早期生长的原子级动态（图4a）。此阶段主要经历三个过程：无定形团簇增长、晶化、以及晶体扩展（图4b）。尤为关键的是，晶核并非孤立生长，而是会通过两种方式减少晶界缺陷：一是相邻晶核发生聚集并重排，形成更大单晶区域；二是晶核在弱基底作用下发生旋转，最终以相同取向“定向附着”并合并（图4c）。这两种机制都有效降低了晶界密度，为制备高质量二维单晶提供了原子级解释。

图4：MoS₂晶核早期生长过程中聚集与定向附着降低晶界的动态过程

小结

这项研究首次在实验上完整揭示了二维MoS₂在CVD条件下的非经典成核机制，证明二维晶体的诞生并非“一蹴而就”，而是依赖于无定形中间态与尺寸效应的精细调控。更重要的是，这种原子级动态成像方法与成核模型，具有很强的普适性，有望推广至其他二维材料及各向异性晶体体系。随着对成核与生长机制理解的不断深化，未来二维材料的制备将不再依赖经验试错，而是真正迈向可预测、可设计、可规模化的原子级制造时代。