【导读】

南京航空航天大学国际前沿科学研究院郭万林院士、张助华教授、乔瑞喜副研究员联合南洋理工大学刘政教授等团队，在金属单原子链的原子制造领域取得突破。研究团队基于二维硫族化合物晶界的限域效应，首次从理论层面提出一套标准化筛选方案，预测了这类二维半导体晶界能诱导形成单金属原子链的元素种类，并被合作实验全部证实。该成果将物质制造的极限进一步推进至单原子链尺度，以“二维半导体中共格限域的单金属原子链”（Coherently confined single-metal-atom chains in 2D semiconductors）为题，近期在线发表于《自然·通讯》。

【研究背景】

一维材料由于受限的维度与非局域的电子态，不但表现出诸多优异的物理特性，同时也可维持有效的载流子传输，有望在量子物态调控、新一代先进制程电子、光电器件等领域取得广泛应用。其中，单金属原子链（single-metal-atom chains, SMACs）作为一维结构的终极表现形式，因其极致的几何限域效应，可展现量子化电导、自旋极化输运等新奇物态，被认为是研究量子关联效应、构筑新型量子器件的理想平台。

常规手段通过机械拉伸方法或衬底表面自组装等手段制备SMACs，存在产量低下、链长有限、结构不稳定等瓶颈。该团队前期发现，二维半导体MX₂（M=Mo, W; X=S, Se, Te）相邻晶畴间旋转180°所形成的镜像孪晶界（mirror twin boundaries）作为天然的一维通道，可为SMACs限域生长提供完美模板，并通过改进的化学气相共沉积方法（生长衬底表面预沉积目标金属纳米团簇，随后生长MX₂）初步验证了这一策略的有效性。然而，迄今为止，尚无任何有效手段可预测并指导该方法所能形成的SMACs元素种类，极大限制了基于不同SMACs的新奇物态调控与前沿应用探索。

【成果介绍】

在此工作中，该团队与合作者深入研究了SMACs生长过程中的热力学与动力学过程，针对其中过渡金属原子与MX₂晶畴间替代掺杂（substitution doping）、表面团簇化（surface clustering）、边界吸附构型（edge adsorption configuration）及其动力学生长势垒（kinetic growth barrier）四个核心步骤，发展了一套标准化的理论计算筛选标准，即SSEK，并以MoS₂为例，从27种过渡金属中逐步筛选，精准锁定Co、Ni、Pd、Pt、Rh五种可形成SMACs的元素。系统的生长实验与原子结构电镜表征证实了前四种，证实MoS₂镜面孪晶界中镶嵌着长度达数十纳米的Co、Ni、Pd、Pt单原子链网络（Rh因实验条件限制未进行实验）。实验表明，这类原子链通过共价键与两侧MoS₂晶格紧密连接，共格地限域在晶界处，具有极高的稳定性。理论计算结果进一步预测了SMACs的一维金属性及磁性。该工作不仅为二维材料限域体系中的一维结构的原子制造开辟了新途径，更为极限一维体系中量子行为研究与全新器件开发奠定了基础。

图1：单金属原子链的生长机理、元素筛选流程与原子结构表征

南京航空航天大学博士生秦文、康奈尔大学博士后郭莎莎为论文共同第一作者；张助华教授、郭万林院士、刘政教授、乔瑞喜副研究员为共同通讯作者。

研究工作得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划、江苏省自然科学基金、新加坡教育部等相关项目及南京航空航天大学航空航天结构力学及控制全国重点实验室、纳智能材料与器件教育部重点实验室、南京航空航天大学分析测试中心、高性能计算中心等的大力支持。

论文原文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-025-60127-3