学术动态|牛海洋教授团队PNAS：二维MoTe2中发现一维“多米诺式”相变新机制

二维过渡金属硫化物（TMDCs）兼具可调带隙、优异的光电响应性能以及良好的机械稳定性，是构建低功耗、高集成度柔性电子与光电器件的理想候选材料。这类材料的性能优势很大程度上源于体系中1H半导体相向1T’金属相的可逆相变。长期以来，该相变被认为是典型的“马氏体相变”，即原子通过协同切变实现微观结构重组。然而，传统理论模型预测的高相变能垒，与实验中该相变易于发生的事实明显相悖，其相变动力学与微观机制也因此长期存在争议，严重制约了对该类材料结构与性能的精准调控。

近日，实验室牛海洋教授团队与中国科学院金属研究所陈星秋、孙岩研究员团队开展合作研究，以二维过渡金属硫化物的典型代表——单层MoTe₂的相变过程为研究对象，利用机器学习势函数驱动的分子动力学模拟与增强采样技术，系统阐明了1H-1T’相变的微观机理。该研究在原子尺度证实，单层MoTe₂的相变并非传统的协同切变模式，而是呈现出一维“多米诺式”的原子跃迁机制：Te原子依次沿特定方向跃迁，触发结构转变的链式反应，过程中伴随晶格的Peierls畸变和局部拓扑重排。理论计算表明，该相变路径具有较低的相变能垒。这一发现为消除理论与实验观测之间长期存在的矛盾提供了关键证据。

此外，研究团队还从微观动力学层面，解释了单层MoTe₂相变形成的1T’相呈现单畴、多畴两种形貌的内在成因，并提出了实现单畴和多畴之间可逆、可控转换的调控策略。依托这一策略，单层MoTe₂的二阶非线性光学响应可大幅增强，可见光区的位移电流响应强度从~70μA/V²提升至~470 μA/V²，相较于传统半导体材料展现出突出的应用潜力。

该工作以“1D domino-like phase transformation enables material programming in 2D MoTe₂”为题，发表于国际权威学术期刊《PNAS》。该工作由中国科学院金属研究所、西北工业大学等共同完成。中科院金属研究所博士研究生柳向阳和西北工业大学博士研究生陈名毅为论文共同第一作者，中科院金属研究所孙岩研究员与西北工业大学牛海洋教授为共同通讯作者。该研究得到了国家自然科学基金、凝固技术全国重点实验室课题、中央高校基本科研业务费“0到1”原创性引领专项等项目的资助。

论文链接：https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2528037123

图1 传统马氏体相变与多米诺式相变

图2 单层MoTe₂中1H-1T’单畴的相变微观机理

图3 单层MoTe₂中多畴1T’的微观形成机理

图4 基于相变理论的强响应二阶非线性材料设计

该研究通过机器学习势函数驱动的分子动力学与增强采样技术，系统解析了单层MoTe₂的1H-1T’相变微观机理，揭示了其相变过程中原子的一维“多米诺式”跃迁机制。基于对这一相变机制的理解，研究团队提出了微纳尺度下对材料结构与光电特性定制化的调控策略，为可编程电子器件、高效率光伏材料和快速电子开关技术的发展提供了新的思路。

图文 | 陈名毅，牛海洋

编辑 | 冯芳

责编 | 何峰

审核 | 禹亮