二 維材料因其原子級(jí)厚度和獨(dú)特物性，被視為下一代電子器件、量子器件和能源器件的核心材料。然而，材料越“薄”，制造越難。以過(guò)渡金屬硫族化物（TMDs）為代表的二維材料，其性能對(duì)層數(shù)、原子排列和界面潔凈度極度敏感：多一層就可能從直接帶隙變成間接帶隙，界面一旦被污染，超導(dǎo)、拓?fù)?、自旋等效?yīng)便大打折扣?，F(xiàn)實(shí)卻是，傳統(tǒng)CVD生長(zhǎng)如同“敞口鍋煮湯”——前驅(qū)體隨意沉積，層數(shù)難控、雜質(zhì)難免，更別提對(duì)空氣極度敏感的單層 NbSe? 這類(lèi)材料，往往“長(zhǎng)出來(lái)就開(kāi)始退化”。如何在原子尺度上精準(zhǔn)控制生長(zhǎng)，又能同步完成干凈的異質(zhì)結(jié)構(gòu)集成，一直是二維材料領(lǐng)域的核心難題。

中科院物理所高鴻鈞院士、楊海濤研究員聯(lián)合蘇州實(shí)驗(yàn)室丁峰教授和中國(guó)科學(xué)院大學(xué)周武研究員共同提出了一種全新的“納米限域生長(zhǎng)”策略：利用石墨烯或六方氮化硼作為范德華蓋層，在其下方構(gòu)建一個(gè)“原子級(jí)受限空間”，引導(dǎo)二維 TMD 在受控環(huán)境中生長(zhǎng)。該方法不僅實(shí)現(xiàn)了 98% 單層產(chǎn)率的 NbSe? 和 MoS?，還首次在真正原子精度上合成了 Janus 型 MoSSe 單層，同時(shí)原位形成超潔凈范德華異質(zhì)結(jié)界面。更重要的是，蓋層在生長(zhǎng)過(guò)程中即完成原位封裝，顯著提升了空氣敏感材料的穩(wěn)定性，使單層 NbSe? 展現(xiàn)出接近機(jī)械剝離樣品的超導(dǎo)性能。這項(xiàng)工作為二維材料的精準(zhǔn)合成、清潔集成和器件化提供了一條全新的通用路徑相關(guān)成果以“Atomically precise synthesis and simultaneous heterostructure integration of 2D transition metal dichalcogenides through nano-confinement”為題發(fā)表在《Nature Materials》上。Ce Bian, Yifan Zhao, Roger Guzman, Hongtao Liu.為共同第一作者。

納米限域：給二維材料造一個(gè)“只進(jìn)不出的生長(zhǎng)空間”

研究的核心思想在圖1a中一目了然：研究人員先將石墨烯或 hBN 轉(zhuǎn)移到 SiO?/Si 基底上，再通過(guò) CVD 讓前驅(qū)體“鉆進(jìn)”蓋層與基底之間的納米夾層，在這里完成二維材料的成核和生長(zhǎng)（圖1a）。在這個(gè)受限空間里，前驅(qū)體只能沿著晶體邊緣原位拼接，而無(wú)法像開(kāi)放環(huán)境那樣在表面繼續(xù)“疊層”，從源頭上抑制了多層生長(zhǎng)。這一機(jī)制直接體現(xiàn)在圖1g中：納米限域條件下，NbSe? 的單層比例高達(dá) 98%，而傳統(tǒng)生長(zhǎng)僅為 41%。更令人印象深刻的是，STEM 截面像（圖1c–e）清晰地分辨出：上方是石墨烯蓋層，下方是僅有一個(gè)原子層厚度的 NbSe?，界面整潔、層次分明。

圖1：納米限域條件下 NbSe? 單層的生長(zhǎng)示意、顯微表征及單層產(chǎn)率統(tǒng)計(jì)

生長(zhǎng)機(jī)制：邊緣“進(jìn)料”，平面“拼裝”

為什么納米限域能如此精準(zhǔn)？從能量角度看，DFT 計(jì)算表明，夾在兩層之間的 NbSe? 單層具有最低結(jié)合能（圖2a），在熱力學(xué)上更穩(wěn)定；而從動(dòng)力學(xué)角度，前驅(qū)體主要通過(guò)蓋層邊緣滲入，并沿界面發(fā)生定向擴(kuò)散（圖2b）。這種“邊緣進(jìn)料 + 面內(nèi)拼裝”的模式（圖2c），天然避免了表面二次沉積，是實(shí)現(xiàn)單層可控生長(zhǎng)的關(guān)鍵。這也解釋了為何在開(kāi)放生長(zhǎng)中（圖2d），只要沉積速率稍高，就不可避免地產(chǎn)生多層結(jié)構(gòu)。

圖2：納米限域生長(zhǎng)的能量?jī)?yōu)勢(shì)與動(dòng)力學(xué)機(jī)制分析

原子級(jí)選擇性：真正的 Janus 單層如何誕生

Janus TMD 的難點(diǎn)在于：只替換一側(cè)原子，而不波及另一側(cè)。在納米限域條件下，MoS? 單層的上表面被石墨烯/hBN 完全保護(hù)，NbSe? 前驅(qū)體只能從下方界面進(jìn)入，只與底層 S 原子發(fā)生反應(yīng)（圖3g 插圖）。結(jié)果是，Raman 和 PL 譜（圖3c,d）顯示出清晰、均勻的 Janus 特征，而 HAADF-STEM 直接在原子尺度上區(qū)分出上下兩側(cè)不同的硫族元素（圖3g）。這意味著，Janus 結(jié)構(gòu)首次在真正的“單原子層選擇性”意義上被實(shí)現(xiàn)。

圖3：Janus MoSSe 單層的原子級(jí)選擇性合成與結(jié)構(gòu)表征

形狀可設(shè)計(jì)：材料自己“長(zhǎng)成”電路圖案

當(dāng)進(jìn)一步提高前驅(qū)體通量并保持蓋層完整時(shí)，材料會(huì)優(yōu)先在蓋層邊緣成核并向內(nèi)生長(zhǎng)，形成天然圖案化結(jié)構(gòu)。如圖4a–c 所示，NbSe? 可以在 hBN 下方自動(dòng)生長(zhǎng)成三角形、正方形甚至圓環(huán)結(jié)構(gòu)；Raman 映射（圖4d–f）證實(shí)這些環(huán)狀結(jié)構(gòu)在整個(gè)路徑上連續(xù)、均勻。基于這些結(jié)構(gòu)制備的器件表現(xiàn)出清晰的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變（圖4g），其起始超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度 2.8 K，明顯優(yōu)于常規(guī) CVD 樣品，接近甚至逼近機(jī)械剝離單層 NbSe?（圖4i）。

圖4：本征圖案化 NbSe? 單層及其超導(dǎo)器件性能

小結(jié)與展望

這項(xiàng)工作展示了一種將“生長(zhǎng)控制”和“異質(zhì)集成”合二為一的二維材料新范式：通過(guò)范德華蓋層構(gòu)建納米限域空間，不僅實(shí)現(xiàn)了單層 TMD 的高精度合成，還同步獲得了超潔凈界面和原位封裝保護(hù)。這一策略兼容大面積石墨烯和 hBN 的成熟制備技術(shù)，為未來(lái)晶圓級(jí)二維材料、Janus 結(jié)構(gòu)和超導(dǎo)/量子器件的規(guī)?；圃斓於嘶A(chǔ)?？梢哉f(shuō)，二維材料終于有了一座真正意義上的“原子級(jí)保險(xiǎn)箱”