二維過(guò)渡金屬硫族化合物（TMDs）憑借原子級(jí)厚度、可調(diào)電子結(jié)構(gòu)及優(yōu)異的力學(xué)柔性，成為后摩爾時(shí)代電子器件的核心候選材料。其中，二維二硫化鉬（MoS?）因本征半導(dǎo)體特性在晶體管、傳感器等領(lǐng)域已展現(xiàn)出應(yīng)用價(jià)值，而其在低溫條件下的金屬 - 絕緣體相變（MIT）現(xiàn)象，更揭開了電子關(guān)聯(lián)效應(yīng)與晶格調(diào)控的全新研究維度。這一相變機(jī)制的深入探索，不僅為理解二維極限下的量子輸運(yùn)行為提供了典型模型，更為開發(fā)高性能量子器件、低溫傳感器等帶來(lái)了革命性機(jī)遇。

二維 MoS?的晶體結(jié)構(gòu)與電子特性是其相變行為的基礎(chǔ)。單層 MoS?呈現(xiàn) “三明治” 式層狀結(jié)構(gòu)，鉬原子（Mo）夾在兩層硫原子（S）之間形成六邊形晶格，層間通過(guò)弱范德華力結(jié)合。在室溫下，本征二維 MoS?為間接帶隙半導(dǎo)體，帶隙寬度約 1.8 eV，電子輸運(yùn)以熱激活為主，表現(xiàn)出絕緣特性。然而，當(dāng)維度降至二維極限，電子的量子限制效應(yīng)、電子 - 電子關(guān)聯(lián)作用及電子 - 晶格耦合效應(yīng)被顯著放大，在低溫環(huán)境中，這些效應(yīng)的協(xié)同作用可驅(qū)動(dòng)材料電子結(jié)構(gòu)發(fā)生根本性轉(zhuǎn)變，實(shí)現(xiàn)從絕緣體到金屬相的躍遷，這一現(xiàn)象與三維塊體 MoS?的物理行為存在本質(zhì)差異。

低溫下二維 MoS?金屬 - 絕緣體相變的核心機(jī)制，主要源于電子關(guān)聯(lián)與晶格重構(gòu)的耦合作用。目前學(xué)界公認(rèn)的機(jī)制包括兩類：其一為 Mott 相變機(jī)制。在二維體系中，電子的局域化程度隨溫度降低而增強(qiáng)，當(dāng)溫度降至臨界值（通常低于 100 K），電子間庫(kù)侖排斥作用主導(dǎo)輸運(yùn)行為，導(dǎo)致能帶隙打開，材料呈現(xiàn)絕緣態(tài)；而通過(guò)化學(xué)摻雜、電場(chǎng)調(diào)控等方式增加載流子濃度，可打破電子局域化，使能帶隙閉合，材料轉(zhuǎn)變?yōu)榻饘傧唷?a data-mid="62" href="http://m.aimack.com/a/ysbppgxwjgcczsyyjbs.html">實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)二維 MoS?的載流子濃度達(dá)到 1013 cm?2 量級(jí)時(shí)，低溫下電阻會(huì)出現(xiàn)數(shù)量級(jí)下降，標(biāo)志著金屬相的形成。其二為 Peierls 畸變與電荷密度波（CDW）序主導(dǎo)的相變。低溫下二維 MoS?的晶格振動(dòng)（聲子）被顯著抑制，晶格結(jié)構(gòu)發(fā)生周期性重構(gòu)，形成 CDW 有序相，導(dǎo)致費(fèi)米面嵌套和能隙打開，表現(xiàn)為絕緣態(tài)；而外力應(yīng)力、激光輻照等可破壞 CDW 序，使晶格恢復(fù)對(duì)稱，材料回歸金屬相。最新的低溫拉曼光譜研究證實(shí)，在 77 K 以下，二維 MoS?的 A?g 振動(dòng)模式分裂，對(duì)應(yīng) CDW 序的形成，與電阻突變現(xiàn)象高度同步。

低溫輸運(yùn)測(cè)量與原位表征技術(shù)是揭示相變機(jī)制的關(guān)鍵手段。研究中常用低溫探針臺(tái)結(jié)合輸運(yùn)測(cè)量系統(tǒng)，通過(guò)監(jiān)測(cè)電阻 - 溫度曲線的突變的確定相變臨界溫度，利用霍爾效應(yīng)分析載流子濃度與遷移率的變化規(guī)律。原位低溫透射電子顯微鏡（TEM）可直接觀測(cè)相變過(guò)程中的晶格結(jié)構(gòu)演變，捕捉 CDW 序的形成與消失；角分辨光電子能譜（ARPES）則能精準(zhǔn)表征電子能帶結(jié)構(gòu)的重構(gòu)，為 Mott 相變或 CDW 機(jī)制提供直接證據(jù)。此外，低溫原子力顯微鏡（AFM）與拉曼光譜的聯(lián)用，可實(shí)現(xiàn)對(duì)相變過(guò)程中晶格應(yīng)力與電子態(tài)變化的同步監(jiān)測(cè)，進(jìn)一步厘清結(jié)構(gòu) - 電子性質(zhì)的關(guān)聯(lián)。

這一研究方向的突破已展現(xiàn)出明確的應(yīng)用前景。在量子器件領(lǐng)域，低溫下可調(diào)控的金屬 - 絕緣體相變特性，使二維 MoS?有望成為量子開關(guān)的核心材料，通過(guò)溫度或電場(chǎng)精準(zhǔn)調(diào)控器件的導(dǎo)通與關(guān)斷，其原子級(jí)厚度可大幅提升器件集成密度。在低溫傳感器領(lǐng)域，相變過(guò)程中電阻的顯著突變特性，可用于構(gòu)建超高靈敏度的溫度傳感器或輻射探測(cè)器，響應(yīng)速度較傳統(tǒng)器件提升一個(gè)量級(jí)。此外，相變機(jī)制的研究為理解二維體系中的量子關(guān)聯(lián)效應(yīng)提供了理想平臺(tái)，助力拓?fù)浣^緣體、量子自旋液體等前沿領(lǐng)域的探索。

當(dāng)前研究仍面臨諸多挑戰(zhàn)：例如多數(shù)二維 MoS?的相變臨界溫度偏低（多低于 77 K），限制了室溫應(yīng)用；相變的可逆性與穩(wěn)定性需進(jìn)一步優(yōu)化；大規(guī)模制備過(guò)程中材料的均勻性難以控制。未來(lái)，通過(guò)異質(zhì)結(jié)構(gòu)筑、界面工程、摻雜調(diào)控等策略，有望將相變溫度提升至室溫附近，并增強(qiáng)相變的穩(wěn)定性與可重復(fù)性。低溫下二維 MoS?的金屬 - 絕緣體相變研究，不僅深化了對(duì)二維量子體系物理本質(zhì)的認(rèn)知，更搭建了基礎(chǔ)研究與器件應(yīng)用之間的橋梁，為開發(fā)下一代低功耗、高集成度電子器件開辟了全新路徑。