新型二维范德华量子材料以原子级厚度、无悬挂键表面、可自由堆叠和高度可调的电子结构，成为当前凝聚态物理、材料科学与量子器件研究的前沿平台。该类材料在维度受限、层间耦合、对称性破缺和电子关联等多重自由度交织下，可涌现莫特绝缘、电荷密度波、非常规超导、极性金属、非线性光学响应等丰富量子物态，为理解强关联物理和拓扑量子现象提供了理想载体。同时，其独特的层状结构便于与硅基工艺、光电子器件和柔性电子集成，在低功耗量子电子器件、超导电子学、非互易电荷输运、极化敏感光电探测、频率转换及高功率密度微纳器件热管理等方面展现出重要应用前景。在此背景下，上海交通大学材料科学与工程学院、张江高等研究院未来材料创制中心黄富强讲席教授、方裕强副研究员等在新型二维量子材料创制方面取得两项重要突破：首次通过化学气相输运法成功生长出高质量体相1T-Nb₀.₉₂Ti₀.₀₈Se₂晶体，并揭示其非常规超导行为；同时首次创制出新型二维范德华极性金属MoOBr₂，突破了金属中巡游电子屏蔽效应导致极性难以共存的核心难题。两项成果分别发表于《美国化学会志》（J. Am. Chem. Soc. 2026, 148, 42573–42582；J. Am. Chem. Soc. 2026, 148, 30278–30286）。

图1.  Ti掺杂稳定1T-Nb_0.92Ti_0.08Se₂的机制与结构表征

破解亚稳相合成难题：体相1T-NbSe₂超导体问世

在常见2H-NbSe₂超导体中，Nb原子处于三棱柱配位环境，其4d¹电子构型有利于稳定2H结构。理论预测1T-NbSe₂是一类莫特绝缘体，而具有八面体配位结构的1T-NbSe₂因自由能较高而处于亚稳态，其晶体合成极具挑战——此前仅能在单层极限下通过外延生长获得。针对这一难题，黄富强和方裕强等首次提出利用3d⁰轨道八面体晶体配位场调控1T相结构中[NbSe₆]多面体构型的新思路。通过协同层内Ti原子诱导配位翻转和层间Ti原子的钉扎作用，团队成功解决了亚稳态1T-NbSe₂晶体的合成难题，首次通过化学气相输运生长出高质量的1T-Nb₀.₉₂Ti₀.₀₈Se₂晶体。单晶结构解析、原子分辨电子显微表征与理论计算揭示：层内Ti重新分配Nb的低能d轨道电子态，削弱三棱柱配位的稳定优势，使八面体配位的1T结构在能量上更为有利；少量层间Ti则通过Ti—Se轨道杂化与成键增强层间耦合，进一步稳定1T结构。

相结构调控同时带来了显著的电子态变化。角分辨光电子能谱显示，1T-Nb₀.₉₂Ti₀.₀₈Se₂保留了完整的金属费米面，并在费米能级附近出现窄能带，与电荷密度波重构受到抑制、低能电子态密度增强相一致。与单层1T-NbSe₂莫特绝缘态形成鲜明对照，体相1T-Nb₀.₉₂Ti₀.₀₈Se₂表现出转变温度为7.2 K的Ⅱ型超导，其面内上临界磁场外推至零温约为13.46 T，略高于泡利顺磁极限。角度依赖磁输运还揭示了特定温度和磁场条件下的四重面内超导各向异性。这一与三方晶格对称性不同的响应，为进一步研究电子关联与超导态对称性提供了新体系。

图2. 1T NbSe₂的磁电输运性质

突破极性金属共存瓶颈：首个本征二维范德华极性金属MoOBr₂

极性金属同时具有长程极性结构与金属导电行为，而金属中巡游电子的屏蔽作用使二者难以共存，本征二维范德华极性金属尤其稀缺。在过渡金属氧化物体系中，过渡金属原子在八面体配位中心位置因无序热振动而存在结构反演对称性。

黄富强和方裕强等首次提出调节配位阴离子与金属之间的电荷密度重叠程度来固定住配位八面体畸变方向的新策略，创制出新型二维范德华极性金属MoOBr₂，并揭示了配位阴离子核外电子密度对结构极性的影响。团队首次制备出片状MoOBr₂晶体，并结合单晶X射线衍射、原子分辨电子显微表征、角分辨光电子能谱与电输运测试手段，成功证实了二维层状MoOBr₂的极性金属特征。该材料室温电阻率为5.13×10⁻⁵ Ω·m，载流子浓度为1.34×10²⁰ cm⁻³。与Cl相比，Br具有更大的离子半径和更低的电负性，能够改变钼与卤素之间的轨道杂化及成键各向异性。在Mo⁴⁺的4d²电子构型、轨道杂化与晶格畸变共同作用下，[MoO₂Br₄]八面体形成不对称配位环境，使MoOBr₂产生沿晶体b轴的净位移，形成极性C2空间群结构。MoOBr₂结构中的极性源于原子层上的八面体畸变，理论上这种极性可保持至单层极限，为进一步探索二维极性电子器件提供了基础。此外，MoOBr₂的热导率约为219 W·m⁻¹·K⁻¹，在非线性光电子学及微纳器件的热管理等研究领域中展现巨大潜力。

图3.  MoOBr₂的极性起源与晶体结构表征

配位化学调控量子物性：开辟二维材料创制新路径

两项研究共同表明，过渡金属配位多面体不仅是晶体的结构单元，也是调控量子物性的有效切入点：通过改变电子占据与配位构型的相对稳定性，可以获得二维亚稳超导材料；通过调节金属-阴离子成键与配位畸变，可以获得二维极性金属材料。以上研究成果将电子构型、化学成键、晶体对称性与功能物性相联系，为新型二维量子材料的固体化学结构设计与创制提供了可拓展的化学路径。

上述研究得到国家重点研发计划、国家自然科学基金及其重大研究计划培育项目、上海市科学技术委员会相关项目等支持。

论文链接：

https://doi.org/10.1021/jacs.6c14384

https://doi.org/10.1021/jacs.6c08223