科学家在二维材料相变机理领域获进展

近日，西北工业大学材料学院、凝固技术全国重点实验室教授牛海洋团队在二维材料相变机理研究领域取得新进展。这一发现不仅为二维材料的相变理论提供了新的视角，也为未来设计新型可编程光电子器件提供了重要理论依据。相关研究成果发表在《美国科学院院刊》。

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。

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牛海洋团队与中国科学院金属研究所合作，以二维过渡金属硫化物的典型代表——单层二碲化钼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，单层二碲化钼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。

研究团队还从微观动力学层面，解释了单层二碲化钼相变形成的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，单层二碲化钼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~70 提升至~470 微安每伏平方，相较于传统半导体材料展现出突出的应用潜力。