中山大学黄维院士团队王来源副教授课题组发现“拉锁式层内劈裂层间重组”全新相变机理

（通讯员谢添）柔性电子学院黄维院士团队王来源副教授课题组长期聚焦微纳光电器件的研究，针对相变半导体，探究其在电子束/激光辐照、离子掺杂、静电调控等多种外界刺激下的相变行为及其物理性质的转变，进而构筑高性能多功能新兴信息器件。近期团队与加州大学洛杉矶分校和兰州大学合作，打破传统理论，在国际顶级期刊 Nature Materials 上发表题为《Interlayer reconstruction phase transition in van der Waals materials》的研究论文，发现了一种全新的“拉锁式层内劈裂层间重组”相变机制，有望用于开发低能耗感存算一体神经形态器件。

拉锁式层内劈裂层间重组相变

传统理论指出，范德华半导体材料的相变主要通过层内滑移或扭转形变机制来实现，且原子重组主要发生在每个独立的共价键层内。在实际研究中，精确捕捉范德华半导体材料在原子尺度上的相变动力学过程及其伴随的原子重排机制面临着严峻挑战，主要原因在于相变过程的快速性和极端空间高分辨率的要求。构筑原位微纳器件，在多场刺激下原子尺度解析器件使得这一研究成为了可能。

基于范德瓦尔斯半导体构筑的原位微纳器件，多物理场刺激下解析相变示意图

研究团队选择了铁电二维层状In2Se3作为研究对象，利用外部电压（或电流）外场调控，通过可控电流驱动相变的方法，结合原位球差扫描透射电子显微镜技术，揭示了二维层状In2Se3材料从半导体相（2H-α相）到半金属相（2H-β相）的层间相变机制。观察到了电压诱导下的相变起始于材料的局部缺陷区域，随后逐渐蔓延至整个材料，此过程中伴随着导电性的显著变化。首次揭示了In2Se3相变材料的2H-α到2H-β相变先后经历层内劈裂（即层内结构的分离）和层间重构（即层间结构的重新组合），与以往层内原子重排路径的传统猜测和认识明显不同。

范德瓦尔斯半导体In2Se3由2H-α到2H-β相变过程解析

不仅如此，研究工作进一步发现相变的传播方向可由电流方向调控，针对微观原位器件作了精细的温度解析，发现了异质结界面存在显著的珀耳帖效应（Peltier effect）。密度泛函理论（DFT）计算揭示了“能量级联机制”驱动了其层内分裂与层间重构相变过程，其中的化学键断裂与形成是造成能量变化的主要来源。特别是，范德华间隙区域内的结构促进了共价层中化学键的断裂，显著地降低了相变所需的激活能，为相变发生提供了有利条件。这一发现揭示了范德华材料相变的新机制，为该类材料在低能耗相变存储器或类神经元等新兴器件中的研究和应用开辟了新的途径。