南科大林君浩課題組在二維材料PdSe2相變機制研究方面取得重要進展

　　【儀表網 研發快訊】近日，南方科技大學物理系、量子功能材料全國重點實驗室、粵澳港大灣區量子科學中心林君浩教授課題組在二維材料相變機制研究方面取得重要進展。研究團隊在二維二硒化鈀(PdSe2)中首次揭示了一種傳統固體相變中前所未有的“潛伏相變”(latent phase transition)行為。相關成果以“Latent phase transition in 2D PdSe2”為題發表在物理學期刊 Physical Review Letters 上，并被選為編輯推薦(Editor’s Suggestion)。
 

　　在傳統材料體系中，固體相變通常指材料在外界刺激(如溫度、壓力或化學作用)下產生的結構或物性變化。這類相變過程往往表現為能量輸入與晶格重構同步發生——外界能量持續注入，體系結構便隨之逐步演化(例如離子插層或原子擴散)。然而，基于林君浩課題組與南京大學繆峰課題組的前期合作(Nature Materials 23, 1363, 2024)，實驗人員在PdSe2體系中觀察到一種低溫退火下Pd擴散誘發的異常相變現象，暗示該體系可能存在不同于傳統熱力學范式的特殊相變路徑。
 

　　在此基礎上，林君浩課題組依托自主研發的片上相工程平臺，結合原位球差校正透射電子顯微鏡技術，在原子分辨率下系統研究了PdSe2的結構演化過程，首次揭示出二維材料中存在“潛伏相變”的物理規律。不同于傳統連續或突變式轉變，該相變發生在外界能量持續作用下，能夠在一定時間維持結構穩定，直至內部化學壓力積累到臨界閾值后，晶格才突然坍塌為三維Pd17Se15相。
 

圖1 片上相工程與PdSe2潛伏相變行為
 

　　本研究基于課題組自主開發的二維材料精準轉移與堆疊技術(國家發明專利CN114486960A、CN114361021A)實現了將超薄二維材料無損轉移至脆弱MEMS芯片表面，并在原位電鏡表征中對樣品施加可控的電–熱雙場調制(Nature Communications, 15, 6074 (2024))。在實驗中，研究人員在PdSe2表面蒸鍍約2 nm厚的Pd薄膜，并在低溫熱退火(約250 ℃)條件下進行原位加熱觀測。團隊利用手套箱保護下的一體化原位加熱透射電鏡(in-situ STEM)平臺，對PdSe2在鈀原子注入和加熱條件下的結構演化進行了原子級實時追蹤。而電子衍射峰強度跟蹤進一步揭示了“閾值觸發”的動態特征：PdSe2的衍射峰在長時間內保持穩定，在臨界時刻迅速減弱，同時Pd17Se15的特征峰強度急劇上升，呈現典型的三階段動力學過程——潛伏積累、臨界突變與晶粒整合。
 

　　結果發現，表面的Pd原子會逐漸滲入其范德華間隙并持續積累。盡管體系不斷吸收能量，PdSe2的晶格在長時間內仍保持穩定(甚至由于晶體膨脹導致劈裂但二維原子層保持不變)，直到內部化學壓力達到臨界閾值時，晶格才突然整體坍塌，形成三維晶體Pd17Se15。這種“能量儲存—閾值觸發—瞬時轉化”的行為，清晰展示了潛伏相變的本質特征。
 

圖2 原子級相變過程表征
 

　　通過第一性原理計算與從頭分子動力學模擬，研究團隊進一步揭示了潛伏相變的微觀機制。計算結果表明，Pd原子從表面進入PdSe2層間的擴散勢壘約為0.69 eV，而在范德華間隙中存在約–0.45 eV的能量谷，使Pd原子易于被捕獲并在層間持續積累。向更深層擴散的能壘約為0.49 eV，表明體系具備較高的垂直遷移能力。與MoSe?或TiSe2等傳統層狀材料不同，PdSe2中Pd–Pd與Pd–Se鍵能為過渡金屬族中最弱之一，這種極弱的相互作用使Pd遷移階段晶格仍能保持整體穩定。
 

圖3 低Pd遷移勢壘與分子動力學模擬pd遷移過程
 

　　研究團隊進一步模擬了Pd原子逐步注入范德華層間的過程。結果顯示，盡管面內晶格常數幾乎保持不變，但層間距隨Pd含量顯著增加，反映出Pd在層間持續積聚的行為。通過能量分析顯示，Pd插層引發兩種競爭效應：層間擴張導致能量上升(ΔEvdw)，而Pd–晶格相互作用降低能量(ΔEimp)。在初期，體系能量上升，顯示PdSe2抵抗插層；當Pd濃度超過臨界值后，逐漸占主導，使體系能量驟降，引發結構突變。與離子插層(如Li插入MoSe?)過程中能量單調下降的連續相變不同，PdSe2相變表現出顯著的“延遲”與“臨界觸發”特性。
 

圖4 Pd注入引發潛相變的機制研究
 

　　這種機制類似于水在蒸發前吸收潛熱的過程：吸收潛熱被用于弱化氫鍵相互作用但整體溫度保持穩定，在PdSe2相變初始階段PdSe2的二維原子層結構保持穩定，系統吸收的熱能被用于減弱PdSe2原子層間的相互作用；最終在超過Pd臨界濃度點后，二維PdSe2突然整體坍塌為三維Pd17Se15，與水的汽化過程十分類似。這一發現不僅揭示了PdSe2中前所未有的結構轉變模式，也為理解二維材料中的固態相變提供了全新視角。
 

圖5 潛相變與水吸收潛熱進而汽化過程的類比
 

　　在此基礎上，團隊進一步將該相變機制用于器件構建。研究人員在PdSe2表面沉積約30 nm厚Pd電極，原位STEM觀測發現，Pd17Se15晶粒通過不斷吞噬PdSe2橫向生長，該策略為低溫條件下構建高質量二維金屬–半導體接觸提供了新方法。
 

圖6 Pd橫向遷移誘導相變過程
 

　　該研究首次提出并驗證了二維材料體系中的“潛伏相變”概念，該機制揭示了在外界能量輸入下，體系可經歷長時間能量積累而結構保持穩定，直至化學壓力達到閾值后瞬間發生結構轉化的普適規律。此項發現不僅豐富了對低維相變動力學的理解，也為二維–三維異質結構設計、低溫相工程以及高穩定性功能器件制備提供了新的理論基礎與實驗支撐。
 

　　南科大物理系博士后楊其朔(原南科大-昆士蘭大學聯合培養博士)、南科大材料科學與工程系研究助理教授吳亞北、南科大物理系博士后朱亮(已出站)為論文共同第一作者。林君浩、材料科學與工程系張文清講席教授為論文的通訊作者。南方科技大學為論文第一單位。該研究工作受到了南京大學繆峰教授課題組、昆士蘭科技大學陳志剛教授課題組、昆士蘭大學鄒進教授課題組的大力支持。
 

　　本研究得到了國家重點基礎研究發展計劃、國家自然科學基金、廣東省創新創業團隊計劃、廣東省基礎與應用基礎研究基金、廣東省先進熱電材料與器件物理重點實驗室、深圳市科技創新項目、粵港澳大灣區量子科學中心量子科學戰略專項、深圳市量子科學中心共建項目、高水平專項資金以及江蘇省自然科學基金的資助。本研究的透射電子顯微鏡表征工作在南方科技大學核心科研設施皮米中心(Pico Center) 完成，該中心獲得了深圳市發展和改革委員會及校長基金的支持。計算模擬部分得到了南方科技大學計算科學與工程中心的技術支持。