相变是自然界中最普遍的现象之一，深入理解其发生与演化过程，不仅有助于揭示物质结构重组的内在规律，也为材料性能调控和功能器件设计提供了重要基础。二维材料的兴起为相变研究注入了新的活力。由于维度的限制，二维体系会展现出不同于传统体相材料的物理特征，并不断拓展着已有的相变理论框架。在单层过渡金属硫属化合物中，其1H与1T`间的相变通常被理解为一种马氏体相变过程，即原子通过协同切变完成结构转变。然而，在二维过渡金属硫属化合物中，这种马氏体相变过程能垒较高，使这一过程难以发生，同时实验上直接揭示其微观机制也面临一定的困难。这不仅限制了人们对二维材料相变本质的认识，也阻碍了对其结构与性能的精准调控。

针对这一问题，中国科学院金属研究所沈阳材料科学国家研究中心材料人工智能研究部陈星秋、孙岩研究团队与西北工业大学牛海洋教授团队合作利用深度学习势加速的先进分子动力学模拟，系统研究了单层MoTe₂中半导体1H相与半金属1T`相之间的相变行为。研究发现，其相变过程并非简单遵循整体协同的马氏体切变模式，而是以一种一维“多米诺式”的方式逐步推进，该过程的能量显著低于马氏体协同切变路径。这种一维相变方式使得相变可形成多个亚稳态，展现出与经典形核生长图像不同的自由能景观。

此外，研究团队也从动力学角度揭示了单层MoTe₂在不同模拟尺寸下相变中形成1T`相呈现单畴和多畴两种形态的成因，基于其动力学特征提出了可控的相变策略。理论计算进一步表明，单畴和多畴之间的可逆转换能够实现电学状态的快速切换，且基于该相变机理可控生长的相变中间态可实现显著增强的二阶非线性光学响应。本工作不仅深化了对二维材料相变机制的理解，也为二维材料体系的相工程设计提供了新的思路，有望推动可编程电子器件和光电功能材料的发展。

研究成果“1D Domino-like Phase Transformation Enables Material Programming in 2D MoTe₂”近期发表在期刊PNAS《美国科学院院刊》上，中国科学院金属研究所博士生柳向阳与西北工业大学博士生陈名毅为共同第一作者。该研究工作得到了国家自然科学基金、国家自然科学基金卓越研究群体项目“六元环无机材料”和西北工业大学凝固技术全国重点实验室基金的资助。

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图2 单层MoTe2中1H-1T`单畴的相变微观机理   图3 单层MoTe2中多畴1T`的微观形成机理

图4 基于相变的强二阶非线性光学响应材料设计