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在纳米材料相工程中，传统方法受限，影响材料多样性与可扩展性。研究人员以 Pd - Te 二元化合物为对象，解锁化学计量比进行相工程研究。发现多种相并实现可控生长，还研究了超导特性。该成果为相工程及应用提供新途径。
在材料科学的神奇世界里，相工程就像一位神奇的魔法师，能够改变材料的 “性格”，赋予它们各种独特的性能。然而，这位魔法师在纳米材料领域施展魔法时，却遇到了不少麻烦。一方面，由于复杂的热力学和动力学机制，纳米材料的相工程往往局限于有限的相，合成规模也较小，这大大限制了材料的多样性，就像一个画家只能用几种颜色画画，画面自然单调。另一方面，精确控制化学计量比是个难题，因为真实系统太过复杂，原子间的相互扩散、成核等过程都受到多种因素影响，这就好比在一个混乱的迷宫里寻找出口，困难重重。这些问题严重阻碍了相工程材料的大规模应用，所以，寻找新的方法突破这些限制迫在眉睫。
为了解决这些难题，北京理工大学等研究机构的研究人员踏上了探索之旅。他们把目光聚焦在 Pd - Te 二元化合物上，试图解锁化学计量比这个 “神秘钥匙”，为相工程开辟新的道路。经过一系列深入研究，他们取得了令人瞩目的成果。研究发现了 5 种不同化学计量比的相，还成功实现了化学计量比可控的晶圆级生长。更惊喜的是，其中 4 种相具有超导特性。这一成果发表在《Nature Communications》上，为纳米材料的相工程研究带来了新的曙光，为相关领域的发展提供了重要的理论和实践依据。
在研究过程中，研究人员运用了多种关键技术方法。通过原位化学气相沉积（CVD）系统合成 Pd - Te 薄膜，并实时监测生长过程。利用能量色散 X 射线光谱（EDX）、扫描透射电子显微镜（STEM）等进行成分和结构表征。采用四端法测量不同相的温度依赖电阻（R?T曲线），探究超导性能。还用第一性原理计算获得态密度（DOS）值，分析超导转变温度与电子态的关系。
多步成核
研究人员利用原位 CVD 系统对沉积在SiO2衬底上的 Pd 薄膜进行碲化处理。为了减缓扩散速率，实现反应物化学计量比的调控，他们将生长温度降低到 300°C。整个过程分为两步，先是 Pd 薄膜初始碲化形成Pd10Te3，然后是 Pd - Te 系统的化学计量比相转变。成核从衬底边缘开始，逐渐向内推进。通过降低扩散速率，揭示了之前被高温长时生长掩盖的多步相转变过程，确定了 5 种不同的化学计量比相。利用快速冷却技术捕捉相转变过程，结合拉曼光谱和 STEM 表征，发现了新的中间相，其原子结构独特，在数据库中无匹配信息。不同相的成核形状各异，这与界面能、晶格各向异性等因素有关。
不同相化学计量比的确定
借助 EDX 初步确定不同成核区域的元素组成和比例，再通过原子分辨率的 HAADF - STEM 图像和选区电子衍射（SAED）图案，结合模拟分析，准确识别出Pd10Te3、Pd9Te4、PdTe 和PdTe2等相。中间相的化学计量比介于Pd10Te3和Pd9Te4之间，具有独特的锯齿状原子结构，可能是未知相。相邻相之间通过不同形状的成核实现化学计量比转变，界面在其中起着关键作用。
化学计量比转变的动力学机制
研究发现，从Pd10Te3到中间相的转变不仅涉及晶格结构变化，还包括再结晶过程。Pd10Te3是多晶，而中间相是单晶，原子在界面处重排。通过电子背散射衍射（EBSD）研究后续成核，发现 PdTe 成核的晶格取向与Pd9Te4背景相关，且不同区域的（010）和（0001）面具有最低表面能。
化学计量比可控的晶圆级生长
为实现化学计量比可控的晶圆级生长，研究人员采用碲膜覆盖的衬底与 Pd 衬底面对面的方式均匀供应 Te，实现了空间均匀成核。通过精确控制碲膜厚度，调节参与反应的 Te 量，进而控制相转变的终止，获得了不同化学计量比的纯相薄膜。研究得到了 Pd - Te 化合物的相图，并成功生长出 1 英寸的Pd10Te3、Pd9Te4、PdTe 和PdTe2晶圆，且相转变不受衬底影响，可在多种衬底上集成不同相的薄膜。
超导特性
研究测量了Pd10Te3、Pd9Te4、PdTe 和PdTe2薄膜的R?T曲线，发现它们在特定温度下电阻突然下降至零，发生超导相转变，确定了各自的超导临界温度Tc。其中，PdTe 的Tc最高。第一性原理计算表明，超导转变温度与费米能级处的电子态密度有关，PdTe 的态密度最大。通过测量面内和面外磁场下的电阻温度依赖性，证实了超导的二维特性。
研究结论和讨论部分表明，该研究验证了将化学计量比作为相工程自由度的可行性，揭示了化学计量比转变的动力学过程，确认了再结晶和晶格取向关系，实现了化学计量比可控的晶圆级生长，明确了超导性能与特定相的关联。这一成果为增强相工程多样性、推动纳米材料的大规模应用提供了重要的方法和思路，有望在未来的电子学、超导器件等领域发挥重要作用，开启纳米材料相工程研究的新篇章。
