近日，南方科技大学物理系、量子功能材料全国重点实验室、粤澳港大湾区量子科学中心林君浩教授课题组在二维材料相变机制研究方面取得重要进展。研究团队在二维二硒化钯（PdSe₂）中首次揭示了一种传统固体相变中前所未有的“潜伏相变”（latent phase transition）行为。相关成果以“Latent phase transition in 2D PdSe₂”为题发表在物理学期刊 Physical Review Letters 上，并被选为编辑推荐（Editor’s Suggestion）。

在传统材料体系中，固体相变通常指材料在外界刺激（如温度、压力或化学作用）下产生的结构或物性变化。这类相变过程往往表现为能量输入与晶格重构同步发生——外界能量持续注入，体系结构便随之逐步演化（例如离子插层或原子扩散）。然而，基于林君浩课题组与南京大学缪峰课题组的前期合作（Nature Materials 23, 1363, 2024），实验人员在PdSe₂体系中观察到一种低温退火下Pd扩散诱发的异常相变现象，暗示该体系可能存在不同于传统热力学范式的特殊相变路径。

在此基础上，林君浩课题组依托自主研发的片上相工程平台，结合原位球差校正透射电子显微镜技术，在原子分辨率下系统研究了PdSe₂的结构演化过程，首次揭示出二维材料中存在“潜伏相变”的物理规律。不同于传统连续或突变式转变，该相变发生在外界能量持续作用下，能够在一定时间维持结构稳定，直至内部化学压力积累到临界阈值后，晶格才突然坍塌为三维Pd₁₇Se₁₅相。

图1 片上相工程与PdSe₂潜伏相变行为

本研究基于课题组自主开发的二维材料精准转移与堆叠技术（国家发明专利CN114486960A、CN114361021A）实现了将超薄二维材料无损转移至脆弱MEMS芯片表面，并在原位电镜表征中对样品施加可控的电–热双场调制（Nature Communications, 15, 6074 (2024)）。在实验中，研究人员在PdSe₂表面蒸镀约2 nm厚的Pd薄膜，并在低温热退火（约250 ℃）条件下进行原位加热观测。团队利用手套箱保护下的一体化原位加热透射电镜（in-situ STEM）平台，对PdSe₂在钯原子注入和加热条件下的结构演化进行了原子级实时追踪。而电子衍射峰强度跟踪进一步揭示了“阈值触发”的动态特征：PdSe₂的衍射峰在长时间内保持稳定，在临界时刻迅速减弱，同时Pd₁₇Se₁₅的特征峰强度急剧上升，呈现典型的三阶段动力学过程——潜伏积累、临界突变与晶粒整合。

结果发现，表面的Pd原子会逐渐渗入其范德华间隙并持续积累。尽管体系不断吸收能量，PdSe₂的晶格在长时间内仍保持稳定（甚至由于晶体膨胀导致劈裂但二维原子层保持不变），直到内部化学压力达到临界阈值时，晶格才突然整体坍塌，形成三维晶体Pd₁₇Se₁₅。这种“能量储存—阈值触发—瞬时转化”的行为，清晰展示了潜伏相变的本质特征。

图2 原子级相变过程表征

通过第一性原理计算与从头分子动力学模拟，研究团队进一步揭示了潜伏相变的微观机制。计算结果表明，Pd原子从表面进入PdSe₂层间的扩散势垒约为0.69 eV，而在范德华间隙中存在约–0.45 eV的能量谷，使Pd原子易于被捕获并在层间持续积累。向更深层扩散的能垒约为0.49 eV，表明体系具备较高的垂直迁移能力。与MoSe₂或TiSe₂等传统层状材料不同，PdSe₂中Pd–Pd与Pd–Se键能为过渡金属族中最弱之一，这种极弱的相互作用使Pd迁移阶段晶格仍能保持整体稳定。

图3 低Pd迁移势垒与分子动力学模拟pd迁移过程

研究团队进一步模拟了Pd原子逐步注入范德华层间的过程。结果显示，尽管面内晶格常数几乎保持不变，但层间距随Pd含量显著增加，反映出Pd在层间持续积聚的行为。通过能量分析显示，Pd插层引发两种竞争效应：层间扩张导致能量上升（ΔE_vdw），而Pd–晶格相互作用降低能量（ΔE_imp）。在初期，体系能量上升，显示PdSe₂抵抗插层；当Pd浓度超过临界值后，逐渐占主导，使体系能量骤降，引发结构突变。与离子插层（如Li插入MoSe₂）过程中能量单调下降的连续相变不同，PdSe₂相变表现出显著的“延迟”与“临界触发”特性。

图4 Pd注入引发潜相变的机制研究

这种机制类似于水在蒸发前吸收潜热的过程：吸收潜热被用于弱化氢键相互作用但整体温度保持稳定，在PdSe₂相变初始阶段PdSe₂的二维原子层结构保持稳定，系统吸收的热能被用于减弱PdSe₂原子层间的相互作用；最终在超过Pd临界浓度点后，二维PdSe₂突然整体坍塌为三维Pd₁₇Se₁₅，与水的汽化过程十分类似。这一发现不仅揭示了PdSe₂中前所未有的结构转变模式，也为理解二维材料中的固态相变提供了全新视角。

图5 潜相变与水吸收潜热进而汽化过程的类比

在此基础上，团队进一步将该相变机制用于器件构建。研究人员在PdSe₂表面沉积约30 nm厚Pd电极，原位STEM观测发现，Pd₁₇Se₁₅晶粒通过不断吞噬PdSe₂横向生长，该策略为低温条件下构建高质量二维金属–半导体接触提供了新方法。

图6 Pd横向迁移诱导相变过程

该研究首次提出并验证了二维材料体系中的“潜伏相变”概念，该机制揭示了在外界能量输入下，体系可经历长时间能量积累而结构保持稳定，直至化学压力达到阈值后瞬间发生结构转化的普适规律。此项发现不仅丰富了对低维相变动力学的理解，也为二维–三维异质结构设计、低温相工程以及高稳定性功能器件制备提供了新的理论基础与实验支撑。

南科大物理系博士后杨其朔（原南科大-昆士兰大学联合培养博士）、南科大材料科学与工程系研究助理教授吴亚北、南科大物理系博士后朱亮（已出站）为论文共同第一作者。林君浩、材料科学与工程系张文清讲席教授为论文的通讯作者。南方科技大学为论文第一单位。该研究工作受到了南京大学缪峰教授课题组、昆士兰科技大学陈志刚教授课题组、昆士兰大学邹进教授课题组的大力支持。

本研究得到了国家重点基础研究发展计划、国家自然科学基金、广东省创新创业团队计划、广东省基础与应用基础研究基金、广东省先进热电材料与器件物理重点实验室、深圳市科技创新项目、粤港澳大湾区量子科学中心量子科学战略专项、深圳市量子科学中心共建项目、高水平专项资金以及江苏省自然科学基金的资助。本研究的透射电子显微镜表征工作在南方科技大学核心科研设施皮米中心（Pico Center） 完成，该中心获得了深圳市发展和改革委员会及校长基金的支持。计算模拟部分得到了南方科技大学计算科学与工程中心的技术支持。

文章链接：https://doi.org/10.1103/hcy1-7znw

供稿：物理系

通讯员：许馨文

主图：丘妍

编辑：曾昱雯