物理学院周武课题组合作报道过渡金属硫族化合物薄膜的大面积原子级相变
时金安
拓扑材料因其受拓扑保护的低耗散输运特性，在后摩尔时代的自旋电子器件、量子计算和低功耗芯片等领域展现出巨大潜力。然而，其走向实际应用的核心瓶颈在于大面积薄膜及其异质结构的高质量可控制备。传统材料制备方法受限于晶相调控精度低、界面稳定性差等问题，难以满足拓扑器件对原子级平整度与功能导向设计的需求。相工程（phase engineering）作为一种革新性思路，通过精准调控晶体结构相，突破传统材料种类的局限，为实现大面积、高质量拓扑材料制备提供了全新解决方案。然而，过渡金属硫属化物及其异质结的相变过程动态复杂，原子级重构机制尚不明确，成为制约其实际应用的关键科学难题。
针对这一挑战，中国科学院大学周武教授团队与南京大学王学锋教授、张荣院士团队联合中国科学院金属研究所、大连理工大学等合作者，于2026年1月16日在《自然·材料》(Nature Materials)在线发表了题为《过渡金属硫族化合物薄膜的大面积非化学计量相变》(Large-area non-stoichiometric phase transition in transition metal chalcogenide films)的研究论文，在拓扑材料相变研究中取得重大进展。研究团队利用自主搭建的脉冲激光沉积系统，通过反射式高能电子衍射在位监控，首先在蓝宝石衬底上制备了厘米级PdTe2外延薄膜。进而，团队首次利用原位加热的原子级分辨扫描透射电子显微镜直接观测到PdTe2向PdTe的原子级重构可视化相变过程，并结合分子动力学原子级模拟，揭示了热驱动空位生成、Pd-Te键合进而导致范德华间隙坍缩闭合的完整机理。
图 (a-f) 热驱动PdTe2向PdTe相变的原子结构演化示意图和动态截面STEM图，比例尺：2 nm；
(g) PLD生长设备示意图；(h,i) 不同Pd-Te相薄膜的超导性能和太赫兹波发射性能
通过该相变策略制备的PdTe薄膜表现出优异的超导性能，超导转变温度与单晶块材相当；同时，形成的原子级平整PdTe/PdTe₂异质界面因反演对称性破缺，展现出巨大的自旋电子太赫兹波发射性能。这一热驱动自下而上的原子重构策略还可拓展至PtTe₂等其他过渡金属硫属化物体系，为构建通用智能材料平台奠定了基础。
该研究不仅为大面积制备过渡金属硫属化物薄膜及其异质结提供了普适性方法，也为理解对称性破缺调控异质结自旋劈裂提供了新视角，有望加速拓扑材料在新型太赫兹源、低功耗自旋芯片、后摩尔时代芯片互连、拓扑量子器件及超导量子计算等领域的应用进程。
南京大学电子学院王学锋教授、张荣院士，中国科学院大学物理科学学院周武教授，中国科学院金属研究所杨腾研究员和大连理工大学高峻峰教授为该论文的共同通讯作者；南京大学电子学院2020级直博生陈中强（现为博士后）、中国科学院大学工程师时金安、中国科学院金属研究所博士黄建啟和大连理工大学博士后常远为共同第一作者。该项研究工作主要得到国家自然科学基金、科技部国家重点研发计划和中国科学院基础研究领域优秀青年团队等项目的资助，以及中国科学院大学电子显微学中心的支持。
