二 维材料因其原子级厚度和独特物性，被视为下一代电子器件、量子器件和能源器件的核心材料。然而，材料越“薄”，制造越难。以过渡金属硫族化物（TMDs）为代表的二维材料，其性能对层数、原子排列和界面洁净度极度敏感：多一层就可能从直接带隙变成间接带隙，界面一旦被污染，超导、拓扑、自旋等效应便大打折扣。现实却是，传统CVD生长如同“敞口锅煮汤”——前驱体随意沉积，层数难控、杂质难免，更别提对空气极度敏感的单层 NbSe₂ 这类材料，往往“长出来就开始退化”。如何在原子尺度上精准控制生长，又能同步完成干净的异质结构集成，一直是二维材料领域的核心难题。
中科院物理所高鸿钧院士、杨海涛研究员联合苏州实验室丁峰教授和中国科学院大学周武研究员共同提出了一种全新的“纳米限域生长”策略：利用石墨烯或六方氮化硼作为范德华盖层，在其下方构建一个“原子级受限空间”，引导二维 TMD 在受控环境中生长。该方法不仅实现了 98% 单层产率的 NbSe₂ 和 MoS₂，还首次在真正原子精度上合成了 Janus 型 MoSSe 单层，同时原位形成超洁净范德华异质结界面。更重要的是，盖层在生长过程中即完成原位封装，显著提升了空气敏感材料的稳定性，使单层 NbSe₂ 展现出接近机械剥离样品的超导性能。这项工作为二维材料的精准合成、清洁集成和器件化提供了一条全新的通用路径相关成果以“Atomically precise synthesis and simultaneous heterostructure integration of 2D transition metal dichalcogenides through nano-confinement”为题发表在《Nature Materials》上。Ce Bian, Yifan Zhao, Roger Guzman, Hongtao Liu.为共同第一作者。
研究的核心思想在图1a中一目了然：研究人员先将石墨烯或 hBN 转移到 SiO₂/Si 基底上，再通过 CVD 让前驱体“钻进”盖层与基底之间的纳米夹层，在这里完成二维材料的成核和生长（图1a）。在这个受限空间里，前驱体只能沿着晶体边缘原位拼接，而无法像开放环境那样在表面继续“叠层”，从源头上抑制了多层生长。这一机制直接体现在图1g中：纳米限域条件下，NbSe₂ 的单层比例高达 98%，而传统生长仅为 41%。更令人印象深刻的是，STEM 截面像（图1c–e）清晰地分辨出：上方是石墨烯盖层，下方是仅有一个原子层厚度的 NbSe₂，界面整洁、层次分明。
图1：纳米限域条件下 NbSe₂ 单层的生长示意、显微表征及单层产率统计
生长机制：边缘“进料”，平面“拼装”
为什么纳米限域能如此精准？从能量角度看，DFT 计算表明，夹在两层之间的 NbSe₂ 单层具有最低结合能（图2a），在热力学上更稳定；而从动力学角度，前驱体主要通过盖层边缘渗入，并沿界面发生定向扩散（图2b）。这种“边缘进料 + 面内拼装”的模式（图2c），天然避免了表面二次沉积，是实现单层可控生长的关键。这也解释了为何在开放生长中（图2d），只要沉积速率稍高，就不可避免地产生多层结构。
图2：纳米限域生长的能量优势与动力学机制分析
原子级选择性：真正的 Janus 单层如何诞生
Janus TMD 的难点在于：只替换一侧原子，而不波及另一侧。在纳米限域条件下，MoS₂ 单层的上表面被石墨烯/hBN 完全保护，NbSe₂ 前驱体只能从下方界面进入，只与底层 S 原子发生反应（图3g 插图）。结果是，Raman 和 PL 谱（图3c,d）显示出清晰、均匀的 Janus 特征，而 HAADF-STEM 直接在原子尺度上区分出上下两侧不同的硫族元素（图3g）。这意味着，Janus 结构首次在真正的“单原子层选择性”意义上被实现。
图3：Janus MoSSe 单层的原子级选择性合成与结构表征
形状可设计：材料自己“长成”电路图案
当进一步提高前驱体通量并保持盖层完整时，材料会优先在盖层边缘成核并向内生长，形成天然图案化结构。如图4a–c 所示，NbSe₂ 可以在 hBN 下方自动生长成三角形、正方形甚至圆环结构；Raman 映射（图4d–f）证实这些环状结构在整个路径上连续、均匀。基于这些结构制备的器件表现出清晰的超导转变（图4g），其起始超导转变温度 2.8 K，明显优于常规 CVD 样品，接近甚至逼近机械剥离单层 NbSe₂（图4i）。
图4：本征图案化 NbSe₂ 单层及其超导器件性能
小结与展望
这项工作展示了一种将“生长控制”和“异质集成”合二为一的二维材料新范式：通过范德华盖层构建纳米限域空间，不仅实现了单层 TMD 的高精度合成，还同步获得了超洁净界面和原位封装保护。这一策略兼容大面积石墨烯和 hBN 的成熟制备技术，为未来晶圆级二维材料、Janus 结构和超导/量子器件的规模化制造奠定了基础。可以说，二维材料终于有了一座真正意义上的“原子级保险箱”
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