通常只有一个原子厚的 2D 材料表现出先进技术非常理想的特性，例如柔韧性、超导性等。这些材料是由气体或蒸汽中的单个成分小心地转变为结晶固体制成的，它们充满这些特性的机制仍然笼罩在神秘之中。
现在，通过一种新的监测和分析方法，由东北大学的 Toshiaki Kato 领导的研究人员揭示了 2D 单层过渡金属二硫属化物 (TMD) 发展的关键机制。他们于 11 月 15 日在《科学报告》上发表了他们的方法和发现。
“TMD 是最著名的层状材料之一，”论文作者、东北大学电子工程系副教授 Toshiaki Kato 说，并指出通过添加盐可以实现大的单层材料。“提高 TMD 的质量对于实现未来灵活和透明的电子设备，如传感器、太阳能电池和光发射器是必要的。”
TMD 是通过蒸发金属氧化物粉末并添加盐来开发的。传统方法保持高温，迫使金属氧化物-盐蒸气的分子直接重新排列成结晶固体。分子的这种重排称为成核，它长成单层 TMD。然而，降低金属氧化物的熔点和沸点通过允许汽化分子使其环境过饱和并在排列成固体之前产生液相来增强这种转变。
“气相中金属氧化物的过饱和促进了液相前体的产生，称为前体水坑，这促进了气-液-固生长而不是传统的气-固生长，”加藤说，并指出蒸汽的生长速率-液-固TMD比气-固TMD至少高两个数量级。“尽管取得了这一进展，但尚未阐明盐辅助生长的成核阶段的关键动力学;实现这一点对于基础应用和工业应用都至关重要。”
为了更好地了解气-液-固 TMD 的成核，研究人员建立了一个成像监测系统，用于监测在 TMD 合成中气相化学物质如何作为固体沉积。
“在这项研究中，我们通过监测化学气相沉积和自动图像分析，实现了从液体前体到固体 TMD 的相变的直接可视化，”加藤说。“通过这种方法，我们发现了一种新的成核机制。”
在气固生长中，蒸汽分子直接重新排列成固体。研究人员发现，在气-液-固生长中，分子经历了两步成核过程：汽相变成液滴，液滴形成稳定但易变的簇。随着温度的变化，分子簇形成结晶固体。
“对 TMD 成核动力学的这种详细了解有助于实现 TMD 的完美结构控制，这将有助于未来的工业应用，”加藤说。“我们发明的监测化学气相沉积和自动图像分析的方法也可以应用于其他纳米材料，以更深入地了解它们的成核和生长机制。”
研究人员接下来计划利用新发现的成核机制来合成超高品质的 TMD。
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