新金属材料全国重点实验室纳米材料原子制造与表征梯队首次在原子尺度实时观测到化学气相沉积（CVD）过程中二维晶体二硫化钼（MoS2）的成核与生长行为，证实形核路径中存在二维非晶中间体，揭示二维晶体的非经典多步成核路径，颠覆了传统成核理论对二维体系的认知。2月5日，相关成果以“原子尺度揭示二硫化钼化学气相沉积过程中形成的二维非晶核”（Atomically resolved two-dimensional amorphous nuclei formed during MoS2 chemical vapor deposition）为题，发表于《科学》（Science）杂志。

二维晶体的成核与生长机制是实现材料原子制造的关键科学问题，对推动其在集成电路、量子计算等前沿领域的应用具有重要意义。然而，由于生长过程高度复杂，MoS2 等二维半导体材料的原子级成核与生长行为一直难以在真实工况下被直接观测，成为材料生长领域的“黑箱”难题。

化学气相沉积过程中结构动态演变过程的实验观测及理论模拟结果

形核过程中尺寸依赖的非晶团簇有序化

研究团队创新性地开发了兼容ETEM的微型CVD反应腔，在精准复刻CVD制备环境的同时，首次实现了 MoS2生长过程的原子尺度原位观测。研究发现，在反应条件下，前驱体气化并吸附到衬底表面形成非晶团簇，经过化学与结构重整演化为面内无序的二维晶胚；当二维晶胚长大至约2 nm时，内部原子发生有序化转变，形成稳定的MoS2晶核。结合分子动力学模拟，系统揭示了非晶团簇、二维晶胚到MoS2晶核的能量演化路径，从实验与理论两方面验证了MoS2非经典成核路径。此外，捕捉到了晶核在早期生长阶段的聚合与取向附着行为，阐明了其在降低晶界密度、促进单晶生长中的关键作用。

该研究为长期以来主要依赖理论推演的原子尺度二维晶体成核机制提供了直接的实验证据，深化了对二维晶体成核生长动力学的理解，完善了晶体非经典成核理论体系。临界尺寸的确认及晶核早期生长行为的揭示，为调控MoS2单晶生长提供了全新切入点，有望实现二维晶体取向与质量的精准控制。这项研究不仅验证了原位研究的科学价值，更展现了原位表征技术在破解材料生长“黑箱”中的重要作用。同时，相关机制和方法有望推广至其他晶体体系的研究。

北京科技大学新金属材料全国重点实验室博士后叶欢宇、北京理工大学材料学院博士研究生吴崇腾、曹端云副教授为论文共同第一作者，北京科技大学新金属材料全国重点实验室张智宏副研究员、王荣明教授为共同通讯作者。

原文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.adz8243