近日，湖南大學教授何勇民團隊提出了一種亞 2nm 金屬液滴驅動的非平衡動力學生長策略，設計了一個概念驗證的實驗對比組，藉此揭示了決定生長模式的關鍵變量——驅動生長所用的鉑金屬團簇尺寸。無論在高溫（500℃）還是在低溫（120℃）下，當驅動生長所用的鉑金屬團簇直徑 >2nm 時，生長行爲均遵循熱力學主導的路徑，形成了不連續的三維島狀結構。當團簇直徑被精確控制在 <2nm 時，生長模式被成功逆轉。此時，生長過程由動力學主導，呈現出一種獨特的二維平面結構：蚯蚓狀的納米帶。
（來源：Nature Materials）
首先，他們開發了一種普適性合成策略，建立了一種適用於非層狀金屬硫族化合物（如 PtSeₓ、IrSeₓ、PdSeₓ、RhSeₓ 等）的單層非晶薄膜的規模化生長方法。
其次，他們揭示了生長動力學的機制，探索並實現了非平衡動力學路徑（液滴驅動生長），改變了傳統熱力學主導的化學氣相沉積（CVD，Chemical Vapor Deposition）生長模式。
這一研究的核心創新點是液滴驅動納米帶-薄膜轉化策略。具體有以下幾點：第一，實現了金屬團簇低溫融化，即金屬納米團簇在 120℃ 低溫下熔化爲 1-2nm 液滴；第二，實現了非晶納米帶生長，即讓液滴引導單層非晶納米帶成核與延伸；第三，實現了跨尺度融合，即將納米帶動態合併爲晶圓級連續薄膜（釐米尺度）；第四，實現了普適性驗證，成功拓展至 PtSeₓ、IrSeₓ、PdSeₓ、RhSeₓ 等材料體系。
總的來說，本研究基於單層非晶金屬硫族化合物合成缺失和非層狀材料二維化生長的熱力學困境兩大背景，通過設計納米液滴驅動的非平衡動力學生長路徑，首次實現了晶圓級單層非晶金屬硫族化合物薄膜的普適性製備，爲二維非晶材料的基礎研究與應用開發提供了新範式。
此次所合成的接近單層極限厚度的非晶過渡金屬硫族化合物展現出多種優異特性：溫度敏感的受無序度調控的導電性、較高的功函數適用於 p 型器件的金屬-半導體接觸，以及優異的電析氫性能。因此，在未來的若干年內，該成果一方面有望用於高效電解水制氫技術，利用其卓越的析氫反應（HER，Hydrogen Evolution Reaction）性能，開發高效、穩定的電解水制氫催化劑；另一方面有望用於先進半導體器件，利用其高功函數和可調控的導電性，應用於高性能 p 型場效應晶體管（p-FET，p-type Field-Effect Transistor）的構築，優化器件的接觸性能和載流子傳輸。
圖 | 何勇民（來源：何勇民）
破除熱力學限制，填補技術空白
非晶材料因其長程無序的原子結構、高濃度非飽和配位環境等特點，展現出區別於晶態材料的獨特性質，在電子器件、能源存儲與轉化等多個領域具有廣闊的應用前景。特別是近年來，隨着原子層材料的湧現，其獨特的二維量子限域效應、較強的平面共價鍵及高的比表面積等特性，激發了人們對非晶相的原子級厚度二維材料的興趣。
比如，單層石墨烯是半金屬性質，而其非晶態卻具有絕緣性能 [1]；非晶態氮化硼薄膜具有的超低介電常數（1.78），能夠用於高性能電子器件 [2]；而且，何勇民團隊在前期發現，當非晶 PtSe₂ 材料薄至單原子層時，其催化電解水制氫性能尤爲卓越 [3]。因此，深入探索原子級尺度下（≤1nm）非晶材料的合成方法以及研究其界面特性與構效關係，不僅能夠拓展人們對非晶態物化性質的理解，還有望爲電子器件和功能材料等領域帶來新的應用前景。
與此同時，本次研究旨在解決的關鍵問題是：攻克單層非晶過渡金屬硫族化合物（TMDC，Transition - Metal Dichalcogenides）材料合成中的兩大瓶頸。
第一個瓶頸是熱力學限制：與原子排布規整、層間作用力較弱的層狀晶體材料不同，非晶材料在熱力學上傾向於形成能量更穩定的三維島狀結構，以便最小化其表面能，因此無法自然生長爲高穩定性的單層。
第二個瓶頸是存在技術空白：對於這些體相非層狀的非晶材料，幾乎無法通過自上而下的機械剝離方法獲得單層結構。而在自下而上的生長辦法中，雖然通過低溫等離子體輔助 CVD 法成功製備出非晶碳單層，但由於其不飽和配位結構和種類繁多，尚未實現金屬硫族化合物單層非晶薄膜的可控合成。
因此，研究團隊提出了這一核心科學問題：能否通過非平衡動力學過程克服熱力學壁壘，抑制非晶材料因表面懸掛鍵導致的三維島狀生長傾向，實現接近單層極限厚度的二維連續薄膜的可控制備？
揭開單層 MoS₂ 表面的“神祕面紗”
如前所述，該研究最初目標是利用濺射金屬團簇在單層二維材料上實現納米級穿孔，實現特定尺寸的分子過濾作用。然而，發現濺射金屬對二維材料的損傷過大，難以進行後續轉移和表徵。
後來，研究團隊改用熱蒸發技術降低金屬團簇動能，成功在二維材料表面形成納米級金屬顆粒，但穿孔效率低。與此同時，新加坡南洋理工大學教授劉政課題組觀察到，在生長襯底預蒸鍍金屬顆粒後進行二維材料的生長時，金屬會嵌入到二維材料晶界中形成一條條單金屬原子鏈。
受此啓發，他們將研究方向轉向極小尺寸金屬團簇在二維材料表面的生長行爲研究。發現金團簇反應困難之後，他們借鑑蘭州大學教授謝二慶團隊的光還原技術，成功在二維材料表面生長出納米級鉑團簇。並初期嘗試在其上生長異質結構二維材料，但是在單晶 MoS₂ 上只得到多晶 PtSe₂ 顆粒。
（來源：Nature Materials）
另據悉，研究初期他們以爲失敗的原因是生長溫度過高導致 PtSe₂ 的奧斯瓦爾德熟化，所以他們開始逐步降低反應溫度進行實驗。在極低溫（低於非金屬 Se 熔點）條件下，雖然未檢測到 PtSe₂ 的特徵拉曼峯，卻觀察到 MoS₂ 表面顏色異常加深。秉持“反對本本主義，沒有調查就沒有發言權”的原則，研究團隊進行了更深入和更全面的表徵。結果意外發現，在 MoS₂ 表面生長出了接近單層厚度的非晶態 PtSeₓ 納米帶。
他們認爲這個現象很有意思，於是系統性地優化了金屬蒸鍍工藝和生長條件，最終成功實現接近單層極限（~1nm）的晶圓級非晶 TMDC 薄膜的普適性製備。但是，研究團隊一直無法解釋這種合成辦法背後的生長機制，便找到南京航空航天大學教授張助華合作，成功地通過理論計算和相場模擬揭示了其生長機制，即極小尺寸金屬液滴因其在產物與襯底間界能的差異，在臺階處不斷反應生成納米帶，最終實現非晶 TMDC 的二維平面生長。
（來源：Nature Materials）
研究團隊對 DeepTech 表示，研究中最令人難忘的莫過於那個“顏色加深”的意外時刻。當他們在遠低於常規反應溫度（甚至低於硒熔點的極低溫）下進行生長實驗後，拉曼光譜顯示預期的 PtSe₂ 晶態特徵峯消失了。按照常理，這通常意味着反應未發生，襯底 MoS₂ 應保持原有顏色。然而，他們卻清晰地觀察到 MoS₂ 表面顏色顯著加深。這個與預期截然相反的現象，在當時讓人困惑不已：是吸附的硒元素，還是其他未知副產物？
他們並沒有輕易下結論或忽略這一異常，而是果斷投入資源進行更深入、更全面的表徵分析。正是這種對實驗現象的敏銳捕捉和不懈探索，最終引領他們揭開了單層 MoS₂ 表面那層“神祕面紗”的真相——極其薄的非晶態 PtSeₓ 薄膜。這個始於“異常現象”的發現，成爲了整個研究的轉折點和核心突破點，詮釋了科學研究中嚴謹求證精神的重要性。
最終，相關論文以《亞 2 納米液滴驅動的非晶態金屬硫族化合物生長，接近單層極限》（Sub-2-nm-droplet-driven growth of amorphous metal chalcogenides approaching the single-layer limit）爲題發在 Nature Materials[4]，石祖德、秦文、胡知力是共同一作，新加坡南洋理工大學教授劉政、南京航空航天大學教授張助華以及湖南大學教授何勇民擔任共同通訊作者。
圖 | 相關論文（來源：Nature Materials）
基於該研究，研究團隊擬拓展非晶體系的原子級厚度製造與應用，具體後續計劃包括以下方向：第一，應用場景的多元化拓展：高效的電催化體系開發；基於超薄非晶材料的柔性電子器件開發；基於單層內無序度梯度材料的電子線路設計。第二，非晶態和晶態之間相互轉化和關聯的探究：原位監測非晶態生長成晶態過程；探索晶態和非晶之間的拓撲不變性。
參考資料：
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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