单层 MoTe2 中由空位辅助的可逆相变的动力学

为何微小缺陷能驱动未来电子学

现代电子学正在向更薄的材料发展，有时仅薄到单原子层。本研究考察了单层 MoTe2——一种可在类似绝缘体状态和金属状态之间切换的原子薄片。不同之处在于，这种切换并非由体积庞大的外部元件触发，而是由最微小的缺陷——缺失的原子——控制，为超薄、低能耗的存储与逻辑器件提供了一条可能路径。

单原子厚材料的两种面貌

单层 MoTe2 存在两种主要的原子排列。在 2H 相中，它表现得像常见的半导体，适用于晶体管；而在 1T′ 相中，它像金属一样导电，并能承载一些奇异的量子效应。这两相之间的能量差很小，因此适度的刺激——如拉伸薄片、加热、照光或施加电压——就能触发相变。然而对于实际器件，工程上需要这一转变既可逆又可控，而不是材料的不可逆破坏。

缺失原子如何触发变化

实验早已提示，缺失的碲原子（称为空位）在 MoTe2 的相变中起关键作用。但精确的原子级演变——小的类金属区域如何首次出现并成长——此前不清楚，主要因为这一过程发生得太快且尺度太小，难以直接观测。作者通过构建一个高度精确的机器学习原子力模型来解决这个问题，该模型以数千次量子力学计算为训练数据。借助该模型，他们得以进行大尺度、长时间的模拟，观察空位如何移动、碰撞并重塑晶格，从而揭示转变的隐秘步骤。

从分散缺陷到扩大的金属小岛

模拟显示，从 2H 相向 1T′ 相的初始转换分两步进行：成核与长大。首先，碲层中单个空位偶尔会结合成对，形成“二空位”，这种结构移动能力更强。当一个可移动的二空位遇到另一个空位时，局部原子会重排，形成一个嵌入在 2H 背景中的微小三角形 1T′ 区域——即种子小岛。这个过程相对缓慢，需要局部较高的空位浓度以及较强的外部驱动（例如机械应变）来克服能量屏障。

快速生长、临界尺寸与隐藏的安全开关

一旦 1T′ 小岛形成，它可以通过沿两个边缘“吞噬”附近空位而更快地生长。原子沿这些边逐个跳迁，只要空位位于合适位置，就会将一行行 2H 转换为 1T′。作者将逐原子计算与动力学模型结合，展示了小岛如何逐行扩展以及生长速度如何依赖空位密度。在低于某一密度时，非常小的小岛可能会因边缘缺乏空位而停滞。超过由边界上空位分布决定的临界小岛尺寸后，生长几乎会自动发生，即便空位相对稀少。他们还鉴别出一些更少见的替代生长路径：一种无需空位但需要更高活化能的生长模式，以及一种由二空位沿另一类边界驱动的生长模式。

适用于实际器件的快速、可逆开关

或许最具器件相关意义的发现是，当外部驱动被去除时会发生什么。1T′ 区域通过一种“无扩散”的原子重排收缩回 2H 相，而无需依赖空位的迁移。这一反向过程从三角小岛的角落快速向内推进，并留下三条辐状的空位线。当再次施加刺激时，系统沿基本相同的路径向前切换，利用这些空位线作为现成的通道。后续的切换循环只需温和的刺激且无需产生新的缺陷。为利用这一行为，作者提出了两阶段的工程策略：一次性的高功率“预制”步骤，用于创建稳定的 2H/1T′ 图案和空位线；随后在日常器件运行中进行温和、快速且完全可逆的相变切换。

引用: Shuang, F., Ocampo, D., Namakian, R. et al. Kinetics of vacancy-assisted reversible phase transition in monolayer MoTe₂. Commun Mater 7, 69 (2026). https://doi.org/10.1038/s43246-026-01078-0

关键词: MoTe2, 相变, 空位, 二维材料, 存储器件