二 維材料因其原子級厚度和獨特物性，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。以過渡金屬硫族化物（TMDs）為代表的二維材料，其性能對層數(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)、拓撲、自旋等效應(yīng)便大打折扣。現(xiàn)實卻是，傳統(tǒng)CVD生長如同“敞口鍋煮湯”——前驅(qū)體隨意沉積，層數(shù)難控、雜質(zhì)難免，更別提對空氣極度敏感的單層 NbSe? 這類材料，往往“長出來就開始退化”。如何在原子尺度上精準控制生長，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)合蘇州實驗室丁峰教授和中國科學(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”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“原子級受限空間”，引導(dǎo)二維 TMD 在受控環(huán)境中生長。該方法不僅實現(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，蓋層在生長過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)出接近機械剝離樣品的超導(dǎo)性能。這項工作為二維材料的精準合成、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“只進不出的生長空間”

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 CVD 讓前驅(qū)體“鉆進”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（圖1a）。在這個受限空間里，前驅(qū)體只能沿著晶體邊緣原位拼接，而無法像開放環(huán)境那樣在表面繼續(xù)“疊層”，從源頭上抑制了多層生長。這一機制直接體現(xiàn)在圖1g中：納米限域條件下，NbSe? 的單層比例高達 98%，而傳統(tǒng)生長僅為 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? 單層的生長示意、顯微表征及單層產(chǎn)率統(tǒng)計

生長機制：邊緣“進料”，平面“拼裝”

為什么納米限域能如此精準？從能量角度看，DFT 計算表明，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；而從動力學(xué)角度，前驅(qū)體主要通過蓋層邊緣滲入，并沿界面發(fā)生定向擴散（圖2b）。這種“邊緣進料 + 面內(nèi)拼裝”的模式（圖2c），天然避免了表面二次沉積，是實現(xiàn)單層可控生長的關(guān)鍵。這也解釋了為何在開放生長中（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：納米限域生長的能量優(yōu)勢與動力學(xué)機制分析

原子級選擇性：真正的 Janus 單層如何誕生

Janus TMD 的難點在于：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，NbSe? 前驅(qū)體只能從下方界面進入，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”意義上被實現(xiàn)。

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

形狀可設(shè)計：材料自己“長成”電路圖案

當(dāng)進一步提高前驅(qū)體通量并保持蓋層完整時，材料會優(yōu)先在蓋層邊緣成核并向內(nèi)生長，形成天然圖案化結(jié)構(gòu)。如圖4a–c 所示，NbSe? 可以在 hBN 下方自動生長成三角形、正方形甚至圓環(huán)結(jié)構(gòu)；Raman 映射（圖4d–f）證實這些環(huán)狀結(jié)構(gòu)在整個路徑上連續(xù)、均勻?；谶@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

這項工作展示了一種將“生長控制”和“異質(zhì)集成”合二為一的二維材料新范式：通過范德華蓋層構(gòu)建納米限域空間，不僅實現(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。這一策略兼容大面積石墨烯和 hBN 的成熟制備技術(shù)，為未來晶圓級二維材料、Janus 結(jié)構(gòu)和超導(dǎo)/量子器件的規(guī)模化制造奠定了基礎(chǔ)。可以說，二維材料終于有了一座真正意義上的“原子級保險箱”