随着集成电路技术的发展，延伸、突破摩尔定律或实现新型量子计算体系等需要突破传统材料的瓶颈。二维材料（2D）由于其丰富的物理性质，特别是二维磁性、二维超导、马约拉纳束缚态、自旋电子学和多体激子等新奇物理特性，被寄希望于引领电子、光电子、量子和信息等多个领域的发展和技术革命，助力半导体、量子芯片的发展。虽然二维材料的制备和性质研究在过去十年间取得了长足的发展，目前对于组成和相单一的二维材料制备手段已较为成熟，但对由相同元素不同组成比、同组成多相的过渡金属硫族化合物可控生长方面仍然存在着巨大困难和挑战。

为获得高质量2D材料和实现其应用，研究人员通过多种合成策略来实现不同2D材料的制备，同时研究和调控其物理性质。合成方法主要包括常规化学气相沉积方法(CVD)、MOCVD、熔盐辅助CVD等。虽然2D材料的制备和性质研究取得了长足的发展，但是对于含有相同元素但组成不同，或相同组成的不同相的过渡金属硫族化合物（TMCs），如Fe基、Cr基、Mn基等：MX（四方，六方）、MX₂（四方，六方）、M₂X₃、M₃X₄、M₅X₈（单斜，三斜），以及三元磷硫化合物（TMPCs）的可控生长方面仍存在巨大挑战。主要原因在于在制备过程中难以控制单一组成/单一相生长的同时而不出现其他组成/相。因此，如何开发出可控的CVD方法，实现单一物相/单一组成的可控制备，是研究并调控其物理性质（如超导和铁磁）和实现其应用的关键。

鉴于以上问题，北京理工大学周家东、王业亮、姚裕贵教授团队和南洋理工大学刘政教授等首次联合提出了竞争反应动力学的生长机制，通过控制温度和蒸气压，实现了对化学气相沉积过程单一相的成核和生长速率的控制，进而实现了67种包括不同组分/不同相的（MX、MX₂、MPX和MPX₃）TMCs和TMPCs及其合金与异质结的可控制备。重要的是，Fe基组成和相工程的实现为研究Fe基自旋电子学，以及基于Fe基超导体的马约拉纳零能模等开辟了新的可能。磷硫化合物的首次CVD直接制备为进一步研究其反铁磁特性及器件提供了材料基础。这是继2018年开发的二维材料库的普适性生长方法（Nature 556, 355 (2018)）后的又一普适性制备策略。相关成果以 “Composition and phase engineering of metal chalcogenides and phosphorous chalcogenides”于 6月23日发表于国际顶尖学术期刊《Nature Materials》。

具体内容如下：以Fe基化合物的制备为例，Fe基的硫族二元化合物常见的包括FeX和FeX₂，而FeX和FeX₂又包括四方相和六方相等；三元磷硫化合物同样包括不同的组成如MPX、MPX₃等。在成核生长过程中，不同组成和不同相之间相互竞争。同时，三元M_mP_nX_z的生长过程更加复杂，其化学反应包括二元反应（M_aX_b 、M_cP_d和 PX）和三元反应，M_mP_nX_z 的制备不仅需要控制三元成分生长的反应，同时需要避免形成二元M_aX_b、PX和M_cP_d。另外，一些M_aX_b和M_mP_nX_z具有非层状结构，非层状的外延生长和岛状生长模式之间还会相互竞争，为获得原子层厚度的二维材料，需要控制反应按照外延生长模式进行。

图1. 可控合成具有不同相和组成的 M_aX_b和M_mP_nX_z的动力学生长模式。

图2. 所合成的2D TMCs 和TMPCs库。

图3. 基于 3d 金属的 2D 材料的生长机制。

图4. 所合成的2D TMCs和TMPCs的STEM表征。

根据实验和模拟Z-contrast STEM图像、EDS mapping和EELS结果综合分析，制备所得的大部分铁基硫族化合物和TMPCs属于5个不同的空间点群，可划分为5类: (1) P6₃/mmc(非层状六方/三角形FeX)；(2) P4/nmm(层状四方FeX)；(3) P3—m1(六边形/三角形/梯形的层状FeX₂)；(4) Pa3—(非层状FeS₂纳米线)和Pmnn(非层状FeS₂和FeTe₂纳米线)；(5) C2/m (MPX₃, M = Mg, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Ag, Cd或Zn)。以MPX₃为例，从结构上看，单层MPX₃的元胞由一个哑铃状P₂X₆和两个M原子组成，形成每个M原子与6个X原子配位，每个P原子与1个P和3个X原子配位的蜂窝状结构。当沿垂直方向堆叠时，MPX₃层之间的面间位移打破了三重反转旋转对称性，产生了一个属于C2/m空间群的单斜晶格。STEM-ADF图像沿[103]带轴呈现六重对称晶格，与多层MPX₃的六方单层和单斜堆叠特征一致。此外，通过相应样品Mn L_2,3边、Fe L_2,3边、Ni L_2,3边和Cd M_4,5边的EELS光谱确定了MPX₃的元素组成。

图5. 组分可调的Fe基TMCs的物理性质。

更重要的，这些二维材料展现出新奇的物理特性，使其成为基础研究和实际应用的新兴平台。研究表明，四方相FeX表现出超导特性。FeS、FeSe和FeTe的超导转变温度T_c值分别为3.3、7.3和11.0 K。不同于FeX，FeX₂（FeX₂）表现为铁磁特性，其T_c值约为15 K。此外，FeTe₂红外探测器响应速度优于大多数已报道的二维材料。这说明所合成不同组成的二维材料具有较高质量，为进一步研究物理性能和构建异质结构如铁磁/超导结等提供了平台。

该工作不仅为原子级薄的TMCs和TMPCs的合成开辟了一条新途径，还展示了一种新颖的生长机制，对全面理解二维材料的生长机制具有重要意义。基于所提出的策略制备的具有可控相、组成和异质结构的晶体将为探索包括二维相变、二维铁磁、二维超导、马约拉纳束缚态和多体激子等在内的物理现象提供可能性。

该工作得到了科技部重点研发计划、国家自然科学基金、海外高层次人才计划和北京理工大学校创新基金等相关项目的支持。

文章DOI：10.1038/s41563-022-01291-5

周家东，北京理工大学物理学院教授、博导。

王业亮，北京理工大学教授、博导、集成电路与电子学院院长，工信部低维量子结构与器件重点实验室主任。

姚裕贵，北京理工大学物理学院院长，先进光电量子结构设计与测量教育部重点实验室主任。

研究领域为计算物理和凝聚态物理，发展了反常输运物理量与拓扑不变量的第一性原理计算方法，部分成果写进了教科书，是该领域开拓者之一；引领了硅烯等二维拓扑材料的研究，所提出的理论模型被冠名；完成了三维晶体中准粒子的分类并建立了百科，为搜寻和实现相关演生粒子提供了理论指导；发展了含能材料能量释放性能及感度快速检测技术，填补了相关GF领域技术空白。至今共发表SCI论文240余篇，在反常输运、硅烯、石墨烯、拓扑材料与物性等领域的研究成果具有重要国际影响并被多位诺贝尔奖获得者广泛引用，共被引17500余次，10篇超过500次。

刘政，南洋理工大学材料科学与工程学院副教授、新加坡材料学会讲席教授。

目前的主要研究方向为二维材料的合成以及器件和能源方面的应用，发表学术文章200余篇。其研究工作被大量主流媒体报道，包括《人民日报》、《科技日报》、《海峡时报》、《日本经济新聞》、《纽约时报》等。截止目前，总引用量超过30000次，h-index超过90。2012年获得世界科技奖能源类最终提名。2013年获得新加坡国立基金会会士以及南洋助理教授头衔。2018年获得新加坡青年科学家奖，同年获得南洋理工大学青年研究奖，以及ICON-2DMAT青年科学家奖。2019年荣获新加坡材料学会讲席教授头衔，同年获得亚洲科学之星。2020年获得ACS Nano Rising Stars Lectureship Award。2018-2021年连续入选高引科学家名单。

朱超，东南大学电子科学与工程学院，研究员。

本科毕业于南京大学；博士毕业于香港科技大学，先后在东南大学、新加坡南洋理工大学从事博士后研究。自2021年起，加入东南大学，主要从事原子尺度下低维材料表界面结构主导的生长及演化动力学研究。近年来，利用球差校正（扫描）透射电子显微镜技术，研究表界面结构主导的生长及演化动力学，揭示极限尺寸/厚度的低维材料其表面配体、晶界、边界和表面空位主导的生长及演化机理，以此为基础指导新型低维结构的精准构筑，实现材料性能的显著提升。共发表SCI论文70余篇，其中以（共同）第一/通讯作者在Nature Materials, Nature Energy, Nature Catalysis, Nature Synthesis, Nature Communications等期刊发表论文25篇，总被引3200余次，H因子为31，入选ESI高被引论文6篇。担任Frontiers of Physics期刊的青年编委。

周遥，北京理工大学前沿交叉科学研究院&化学与化工学院教授、博导，北京理工大学“特立青年学者”。 

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