近日，南京大学张荣院士、王学锋教授团队联合中国科学院大学、中国科学院金属研究所、大连理工大学等单位，在拓扑量子材料的相变研究领域取得重要进展。研究团队首次在原子尺度上直接观测到兼具拓扑和超导特性的二碲化钯（PdTe2）在热驱动下向碲化钯（PdTe）的大面积原子级重构相变，并结合原位电镜显微分析和原子级模拟，清晰揭示了大面积相变的内在机制。该研究不仅为过渡金属硫族化合物的大面积制备与规模化制造提供了一种普适性策略，而且为深入理解异质结中对称性破缺对能带自旋劈裂的调控提供了新思路，同时也为后摩尔时代芯片互连、低功耗自旋芯片、太赫兹源、光电探测、量子传感与量子计算等领域的潜在应用奠定了材料基础。该项研究成果以“Large-area non-stoichiometric phase transition in transition metal chalcogenide films”为题，于2026年1月16日发表于《自然·材料》（Nature Materials）期刊。
拓扑量子材料作为新一代自旋电子材料的重要体系，具有受拓扑保护的电子态与低耗散输运特性。目前拓扑材料走向实际应用的关键挑战在于大面积薄膜及其异质结构的高质量可控制备。相工程采用非传统的材料制备思路，通过精准调控晶体结构相，实现对材料性质与功能的定向设计。该方法不仅突破了传统材料种类的局限，还能稳定调控薄膜的晶相组成、分布及界面特性，为制备大面积、高质量与目标功能导向的拓扑材料提供了全新的解决方案。然而，拓扑材料的相工程通常较为复杂，精确调控仍面临诸多挑战。尽管该领域基于相工程的静态表征和观测已取得显著进展，但如何从原子层面深入揭示相变动力学过程及其伴随的原子级重构机制，仍是实现大面积可控相变与器件应用的关键难题。
针对上述难题，研究团队利用自主搭建的脉冲激光沉积系统，通过反射式高能电子衍射原位监控，首先在蓝宝石衬底上制备了厘米级PdTe2外延薄膜。随后利用具备原位加热功能的扫描透射电子显微镜（STEM）技术，在原子尺度上直接可视化观测PdTe2在受热过程中向PdTe相变的原子级重构动力学过程。结合分子动力学模拟，系统揭示了热驱动空位生成、Pd-Te成键重构进而导致范德华间隙坍缩关闭的完整机理。所制备的PdTe薄膜体系具有优异的超导性能，其超导转变温度与单晶块材相当；且形成的原子级平整、天然晶格失配的PdTe2/PdTe异质界面，具有巨大的自旋光电流太赫兹波发射性能。
图 (a-f) 热驱动PdTe2向PdTe相变的原子结构演化示意图和动态截面STEM图，比例尺：2 nm；(g,h) 不同Pd-Te相薄膜的超导性能和太赫兹波发射性能
此外，这种热驱动大面积非化学计量相变的策略还可拓展至PtTe2等其他过渡金属硫族化合物体系，有望发展成一个有潜力的非化学计量相变的智能材料平台。该研究突破大面积原子级重构相变可视化技术，不仅为大面积制备过渡金属硫族化合物薄膜及其异质结提供了一种普适性方法，而且也驱动了其在新型太赫兹源、低功耗自旋芯片、芯片互连、拓扑量子器件和超导量子计算等前沿方向的潜在应用。
南京大学电子学院王学锋教授、张荣院士、中国科学院大学周武教授、中国科学院金属研究所杨腾研究员和大连理工大学高峻峰教授为该论文的共同通讯作者；南京大学电子学院2020级直博生陈中强（现为南京大学电子学院博士后）、时金安、黄建啟和常远为共同第一作者。合作团队还包括南京大学施毅院士、王欣然教授、金飚兵教授、宋凤麒教授、徐永兵教授、何亮教授、郝玉峰教授、奚啸翔教授和苏州实验室丁峰研究员等。南京大学为论文第一完成单位。该研究得到了国家自然科学基金青年科学基金项目A类、重大项目、青年学生基础研究项目（博士研究生）和科技部国家重点研发计划、国家科技重大专项等项目的资助；同时也得到了南京原子制造研究所、自旋芯片与技术全国重点实验室、江苏省第三代半导体与高能效器件重点实验室、人工微结构科学与技术协同创新中心、国科大电子显微中心等研究平台的大力支持。
论文链接：//www.nature.com/articles/s41563-025-02471-9
