中国古代道教的炼丹师们将炼丹视为一种超越自然规律的神秘实践，从而追求长生不老的目标。为了追求这一目标，炼丹师们研究各种材料，逐步意识到材料的微观结构对材料性质至关重要，并试图通过改变材料的原子组成和排列方式，探索材料的新功能。随着现代科学技术的发展，研究人员不断尝试探索全新的材料合成范式。低维材料在物理、化学、生物以及电子等领域的发展中扮演着越来越重要的角色。不同的应用依赖于不同性质的材料，对低维材料的合成提出了可定制化的要求。尤其是，发展可原位进行电学测试的低维材料制备方法对物理、信息、能源等领域的研究至关重要。然而，传统的材料合成通常依赖于庞大的实验空间和漫长的时间等待，无法兼容原位的电学测量和器件应用，这使得材料合成与应用之间存在较高的技术壁垒。因此，探索全新的低维材料合成范式，成为了材料科学领域一个倍受关注的重要议题。
面对上述挑战，南京大学物理学院梁世军、缪峰团队首次提出了“片上材料合成实验室”的概念。利用热驱动原理，控制器件上电极释放的活性金属原子在沟道材料中的扩散，在片上原位合成了可变化学计量比的多种材料。这些合成的材料展现出超导电性、可与p型半导体形成超低的接触电阻，以及可比拟传统贵金属催化剂的优异电催化性能。该工作中提出的材料合成新范式具有普适性，为未来材料的高通量制备提供了一条全新的技术路径。相关研究成果以“On-device phase engineering（器件上相变工程）”为题于2024年4月25日在线发表在国际材料学领域顶级期刊《自然·材料》上（https://www.nature.com/articles/s41563-024-01888-y）。
首先，研究团队提出了片上原位相变工程的概念。类比于传统材料生长中的前驱体供给过程，电极中的活性金属原子在热驱动作用下扩散进入二维材料，由此可在器件上原位合成一系列不同化学计量比的新材料。以Pd-PdSe2器件为研究对象，在200 ℃的高温环境中退火15分钟后，PdSe2沟道的局部区域发生了明显的光学衬度上的变化，表明热处理后器件沟道区域的组成成分发生了改变。相应的拉曼光谱表征结果表明，光学衬度未发生改变的“区域I”在热处理后仍保持本征PdSe2的晶格结构（可观察到PdSe2的拉曼特征峰），而光学衬度发生改变的“区域II”与“区域III”中则未观察到PdSe2的拉曼特征峰，表明沟道区域内除PdSe2晶格相外，存在新生成的晶格相。
随后，研究团队对相变区域的原子结构进行了系统的表征与分析。研究发现，相变后Pd-PdSe2器件沟道区域的低放大倍率高角环形暗场扫描透射电子显微（HAADF-STEM）图像中呈现出了与图1c中类似的对比度变化，其中光学对比度较亮的区域对应为相变产生的新晶格相。相变边界的定量能谱（Energy dispersive spectroscopy, EDS）分析结果显示从原晶格相区域到新晶格相区域的Pd/Se原子个数比由1:2变化为1.1:1，表明原晶格相经相变工程转变为富金属的晶格相，随后的原子分辨HAADF图像则揭示了所得到的富金属晶格相为Pd17Se15。此外，原晶格相（PdSe2）与相变生成的新晶格相（Pd17Se15）间保持了原子级锐利的界面，相变边界的两侧皆为纯相。结合原子分辨HAADF-STEM及快速傅里叶变换图像，可以确定图1c中生成的另一种富Pd晶格相为Pd4Se。
在此基础上，研究团队通过结合理论计算，提出了可指导片上低维材料原位、可定制化合成的新原理相图，并展示了片上相变工程在电学输运、电子器件性能改善、高效电催化方面的应用潜力。在片上相变工程的新原理相图中，Pd电极与PdSe2沟道的相对厚度（TPd/TPdSe2）和Pd电极间距作为新的自由度，类似传统材料合成范式中不同组分的质量百分比。研究团队在Pd-PdSe2器件上，利用相变工程，原位获得了Pd17Se15和Pd4Se纯晶格相，以及PdSe2-Pd17Se15、Pd17Se15-Pd4Se和PdSe2-Pd17Se15-Pd4Se同素异构的混合晶格相，其中Pd4Se晶格相展现出临界温度约为1.96 K的超导性质；Pd17Se15晶格相呈现常态的金属特性，其可与PdSe2沟道材料（原晶格相）之间形成优异的电学接触。相比于本征器件，在相变工程后，器件的接触电阻降低了200倍。Pd17Se15晶格相不仅可作为电学器件中良好的金属接触材料，还展现出了可与商用贵金属催化剂Pt媲美的电催化析氢性能。
最后，研究团队揭示了片上原位相变工程的内在机制，并深入探索了其在二维材料体系中的普适性。研究团队首先基于第一性原理计算，从迁移势垒的角度阐释了相变过程中活性金属原子的扩散路径：由电极释放的活性金属原子将优先垂直扩散穿过金属与二维材料的范德瓦尔斯（vdWs）界面；随后在二维材料的vdWs空隙中进行横向扩散。进一步，研究团队从不同晶格相热力学稳定性的角度对片上原位相变工程的机制进行了理解，所得出的能量-组分相图给出了不同晶格相的形成能与活性金属化学势间的依赖关系。以Pd-PdSe2体系为例，PdSe2相仅可在少Pd或富Se（Pd金属的化学势小于-5.63 eV）的条件下形成。随着热驱动作用下温度的升高，Pd空位的跃迁势垒降低，更多的Pd原子被激活，导致了Pd金属化学势的增大，由此将形成在相图中进入热力学稳定状态的各种PdxSey晶格相。最后，研究团队对元素周期表中110种由不同金属-硫族元素组成的化合物进行了高通量筛选，发现了在其中多达30种的化合物中皆可实现片上原位可变化学计量比的相变。
正如1959年费曼的著名演讲中所提到的“小尺度，大作为”，该研究中所提出的“片上材料合成实验室”作为一种低维材料合成的全新范式，消除了低维材料合成与应用之间的技术壁垒，为未来信息、能源、环境等领域应用所需的智能材料的开发开辟了一条全新的路径。
南京大学物理学院已毕业博士生刘晓伟、单俊杰副研究员、博士生曹天俊、南方科技大学朱亮博士、中山大学博士生马佳瑜为该工作的共同第一作者。南京大学物理学院缪峰教授、梁世军副教授、南方科技大学物理系林君浩副教授以及中山大学物理学院罗鑫教授为该工作的共同通讯作者。该工作还得到湖南大学何勇民教授、南京理工大学程斌教授、南京大学王振林教授等的大力支持与帮助。该工作得到科技部重点研发计划项目、国家优秀青年科学基金项目、国家自然科学基金重点/面上/青年项目、中国科学院战略重点研究项目、江苏省前沿引领技术基础研究重大项目、江苏省自然科学基金等项目的资助，以及固体微结构物理国家重点实验室、人工微结构科学与技术协同创新中心等支持。（中国日报江苏记者站 苍微）
