院士领衔重磅Nature Materials.：成功使二维过渡金属硫族化物原子级精确合成和异质结构集成同步实现
一、【科学背景】
二维 (2D) 过渡金属硫族化物（TMDs）及其同质/异质结构表现出多种独特的物理和化学性质，已经在电子学、能量收集、传感和催化等诸多领域中做出宝贵贡献。然而，2D TMDs 的有趣特性是由它们的原子尺度结构决定的，特别是层数、原子组成和排列以及界面洁净度等。层数改变可能导致直接带隙到间接带隙的转变，界面洁净度差可能影响到材料的其它性能，例如超导、拓扑、自旋等效应。对于单层TMDs，对层厚度的精确控制需要有效抑制吸附层成核，由于前体沉积和表面扩散之间的微妙平衡，这仍然具有挑战性。此外，2D TMDs的应用通常依赖于它们与其它分层材料（例如石墨烯和六方氮化硼（hBN））的干净集成，以保持固有特性。然而，用于制造范德华（vdW）异质结构的传统转移方法很容易引入界面污染，从而显著降低固有和新兴特性。例如，对空气极度敏感的单层 NbSe2这类材料，往往长出来就开始退化。因此，在原子尺度上实现二维过渡金属硫族化物的精确合成并干净同步实现异质结构集成充满了挑战性。
二、【创新成果】
基于上述挑战，近期中科院物理所高鸿钧院士、杨海涛研究员联合苏州实验室丁峰教授和中国科学院大学周武研究员共同提出了一种新策略：即“纳米限域”生长策略。该研究团队引入了一种纳米限域化学气相沉积（CVD）方法，该方法利用石墨烯或六方氮化硼作为 vdW 覆盖层，从而能够原子级精确地合成 2D TMDs材料并同时实现vdW异质结构集成。与传统的开放式生长相比，纳米限域生长由于不同的动力学机制而精确地产生NbSe2和MoS2单层。研究人员通过简单地调整生长条件，可以将生长形态从孤立的单层域定制为大规模连续薄膜和固有图案环。除了经典的 TMDs 之外，Janus MoSSe 单层可以通过选择性取代底部硫族平面来合成，顶部平面受到vdW覆盖层的保护，从而展示了真正的原子平面选择性。更重要的是，纳米限域生长同时实现了vdW 集成，创建了具有超净vdW界面的石墨烯/TMDs和hBN/TMDs异质结构，并实现了原位封装，有效保护了空气敏感材料。受益于这种可靠的封装，纳米限制NbSe2单分子层与传统CVD生长的样品相比，表现出卓越的空气稳定性和明显更高的超导转变温度。总而言之，该项研究结果表明，具有 vdW 覆盖层的纳米限域生长为2D TMDs的原子精确合成、超净集成和高级应用提供了通用平台。
图1 NbSe2单层的纳米限域生长；© Springer Nature Limited 2026
图2 纳米限域生长的机制；© Springer Nature Limited 2026
纳米限域生长如图1所示。首先，石墨烯或hBN覆盖层被机械剥离到SiO2/Si基底上，形成一个界面，作为TMDs生长的纳米限域平台。接下来，通过常压CVD生产TMDs前驱体并将其嵌入到该界面中。随着前驱体浓度的增加，最终发生成核，并在受限环境下高精度地形成单层TMD。在上述条件下，NbSe2的单层比例高达98%，而传统生长模式仅为41%。值得注意的是，扫描透射电子显微镜截面像清晰地分辨出：上方是石墨烯盖层，下方是仅有一个原子层厚度的NbSe2，界面整洁、层次分明。
后续研究人员从能量和动力学角度分析了纳米约束生长机制。从能量上讲，NbSe2单层的结合能是使用密度泛函理论（DFT）计算的，适用于不同的生长方案，包括纳米限域生长（石墨烯/NbSe2/SiO2）、SiO2上的开放式生长（NbSe2/SiO2）和石墨烯上的开放式生长（NbSe2/石墨烯/SiO2），并使用各种SiO2终端来模拟非晶衬底。如图2所示，无论SiO2终端如何，纳米限域的NbSe2单层都表现出最大的负结合能，这表明在纳米限域下有利于生长，这与TMDs单层两个界面的相互作用一致。
图3 在纳米限域下原子精确合成 Janus MoSSe 单层； © Springer Nature Limited 2026
按照图1所示的过程，纳米限域生长可以很容易地扩展到其他经典的TMDs单层，包括具有极性硫属元素排列的Janus TMD单层。迄今为止，Janus TMD单层的合成依赖于经典TMD 单层的一侧取代。而在纳米限域条件下，该过程涉及在石墨烯或hBN下生长MoS2单层，并使用 NbSe2前体作为替代剂来提供Se原子。NbSe2前驱体不太可能直接附着在MoS2单层的边缘，因为它们的晶格失配很大。相反，NbSe2前驱体由于其独特的界面特性而选择性地插入MoS2-SiO2界面，而不是插入石墨烯或六方氮化硼和MoS2之间的vdW间隙。结果，只有底部S平面暴露于Se原子，使得底部S平面的一侧取代在动力学上更加有利。后续表征测试证实了Janus结构首次在真正的“单原子层选择性”意义上被实现。
通过增加前驱体的沉积通量以促进孤立TMD域的聚结，纳米限域生长可以扩展到两种不同的生长方式：（1）在有缺陷的覆盖层下大规模合成连续TMD薄膜，促进均匀成核和（2）在完整的覆盖层下TMD环的固有图案化生长，直接在其边缘附近成核。图4显示了固有图案 NbSe2单层的光学显微照片，其清晰地展现了具有规则几何形状的 hBN 覆盖层的边缘轮廓。NbSe2可以在hBN下方能够生长为三角形、正方形甚至圆环结构。而基于这些结构制备的器件表现出清晰的超导转变，其起始超导转变温度2.8 K，明显优于常规 CVD 样品。
图4 NbSe2单层的本质图案化生长；© Springer Nature Limited 2026
该研究提出了一种全新的“纳米限域生长”策略，为具有先进应用的2D TMDs的受控合成和vdW集成建立了一个多功能平台。文章以“Atomically precise synthesis and simultaneous heterostructure integration of 2D transition metal dichalcogenides through nano-confinement”为题发表在国际顶级期刊Nature Materials上，引起了相关领域研究人员热议。
三、【科学启迪】
综上所述，研究人员建立了一种纳米限域方法，使用石墨烯或六方氮化硼作为 vdW 覆盖层来合成 TMDs 单层。生长机制由不同的动力学控制，包括边缘插层、定向扩散和前驱体的面内附着，这确保了单层的精确形成，实现了 NbSe2 98%的高产率。通过在MoS2的单个硫属元素平面上进行vdW保护的取代来实现 Janus MoSSe单层，凸显了纳米限域合成的原子级精度。vdW覆盖层还可用作原位封装，有效保持空气敏感NbSe2单层的卓越晶体质量，这使得其超导性能能够在60天以上保持卓越的空气稳定性，并且可以观察到增强的超导性能。总而言之，纳米限域生长为单层TMD的原子精确合成和同时集成异质结构提供了一个平台，为未来晶圆级二维材料、Janus结构和超导/量子器件的规模化制造奠定了基础。
文献链接：Atomically precise synthesis and simultaneous heterostructure integration of 2D transition metal dichalcogenides through nano-confinement，2026，https://doi.org/10.1038/s41563-026-02495-9）
本文由LWB供稿。
