单层厚度的二维非晶材料，因其清晰的无序原子结构和丰富的悬挂键，为研究无序体系的基础性质及其应用提供了一个理想的材料平台。然而，由于非晶材料在热力学上通常倾向于形成三维和非层状结构，合成单层极限厚度的二维非晶薄膜仍然面临挑战。为了解决这一难题，湖南大学化学化工学院何勇民教授、南京航空航天大学张助华教授与新加坡南洋理工大学刘政教授从非平衡动力学生长的角度出发，联合提出一种亚2 nm金属液滴驱动策略，实现了二维非晶态金属硫族化合物接近单层极限的生长。研究成果以“Sub-2-nm-droplet-driven growth of amorphous metal chalcogenides approaching the single-layer limit”为题在Nature Materials期刊上发表，为接近单层厚度极限的非晶材料和非层状材料的合成开辟了新途径。论文通讯作者是何勇民、张助华、刘政；第一作者是石祖德、秦文、胡知力。

背景介绍

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较好的应用前景。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材料的兴趣。然而，非晶薄膜，尤其是在单层极限厚度下的制备，仍面临巨大挑战。特别对于那些体相非层状的材料，几乎无法通过自上而下的机械剥离方法获得单层结构。而通过自下而上的化学气相沉积（CVD）方法合成接近单层极限厚度的非晶金属硫族化合物的研究也尚未见报道。

与天然层状材料易于二维模式生长不同，非晶材料由于其表面存在未饱和的悬挂键，在生长过程中能量上倾向于岛状模式。因此，激活非晶薄膜的二维生长模式需要一个非平衡动力学过程。在这项工作中，研究组开发了一种亚2 nm金属液滴驱动的非平衡动力学生长策略，实现了在晶圆尺度上，由金属纳米团簇直接生长成接近单层极限下的非晶态的金属硫族化合物薄膜。

结果内容

首先，研究者进行了概念验证实验，探究了不同尺寸下金属纳米团簇化学气相沉积生长的结果。在MoS₂衬底上，直径>2 nm的铂颗粒无论是在高温和低温下生长都呈现三维岛状生长，而当铂金属团簇直径下降至<2 nm时，金属硫族化合物都呈现接近单层极限厚度的二维生长，呈现成蚯蚓状的纳米带。

图1：接近单层厚度的非晶与晶态PtSe_x纳米液滴驱动生长的概念验证实验。

通过上述实验的指导并优化制备参数后，研究者成功在低温120 ℃下生长出厚度为1 nm的非晶PtSe_x晶圆级连续薄膜。

图2：晶圆级的接近单层极限厚度的非晶PtSe_x薄膜的生长及其结构表征。

随后作者通过密度泛函理论计算、分子动力学以及相场模拟，揭示了其独特的生长机制：由于＜2 nm金属液滴在PtSe_x薄膜边缘的台阶处具有更低的表面能，纳米液滴会保持在PtSe_x薄膜的边缘，随着液滴中的Pt被不断硒化，新形成的PtSe_x能够将液滴推动，形成均匀厚度的纳米带。结合相场模拟的单个液滴运动行为以及多个液滴的集体行为，发现液滴在遇到其他液滴轨迹时的受限运动规律以及薄膜中残留孔洞的自愈合行为，才能成功模拟出连续的接近单层极限厚度的非晶PtSe_x薄膜。该非平衡动力学生长过程得到STEM进一步的验证。

图3：接近单层极限厚度的非晶PtSe_x薄膜的生长机制理论模拟。

为了验证该机制的普适性，作者在MoS₂上成功合成出一系列的接近单层极限厚度的非晶态金属硫族化合物薄膜，比如：PtSe_x、IrSe_x、PdSe_x、RhSe_x等。

图4：在MoS₂衬底上生长多种金属硫族化合物薄膜。

为了探究接近单层极限厚度的非晶薄膜的物化性质，作者发现了以PtSe_x为代表的非晶薄膜展现出独特的性质，例如无序度（DOD）可调的导电性、高功函数、适用于p型晶体管的空穴注入接触和制氢应用。

图5：接近单层极限的非晶PtSe_x薄膜的电学性质表征、及其应用p-contact FETs上以及电化学性质。

（来源：科学网）

相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41563-025-02273-z