01 科学背景 

气相沉积是一种通过气相反应物在基底上制备尺寸、纯度和均匀性可控的纳米材料或薄膜的重要技术，广泛应用于电子、光学、航空航天及半导体领域。该技术具有产物纯度高、易于规模化、废物少等优势，但面临两个关键挑战：一是高沸点前驱体需依赖高能耗系统（如电子束、等离子体）实现汽化，设备成本高；二是为获得高结晶度材料，常需真空或高稀释条件，导致沉积速率低、产率受限。

尽管已有大气压沉积方法（如大气脉冲激光沉积、火焰合成等）可提高沉积速率，却易因气-汽相互作用引发反应扩散不稳定，难以精确控制薄膜化学计量比、均匀性及晶体结构。火焰合成虽能实现非平衡结构快速合成，却因反应复杂难以调控化学计量，且主要生成氧化物。

因此，发展能在更简易条件下将多样前驱体直接原子化汽化的沉积技术，将显著提升合成速率、拓展材料类型，并推动复杂纳米结构材料的制备与应用。

 02 创新成果  

美国耶鲁大学胡良兵教授、普林斯顿大学琚诒光教授等研究人员合作提出了一种“电加热气相沉积（EVD）”的方法，该方法能够快速将多种前驱体汽化为原子物种，从而实现纳米材料和薄膜的连续合成和快速生长。该工艺得益于一种反应器设计，其中固态前驱体被半封闭在带电碳纸加热器下方，该加热器可在常压氩气环境下以极快的速率（~10⁴ K s^-1）达到超高温（~3000 K）。高温使前驱体快速汽化和分解，产生高通量、高活性原子物种（10²¹–10²²个原子/cm²/s）的高温气体（~2600 K），该气体从加热器的开口边缘向外扩散，并在浮力驱动下以连续、高度可控的流动向上对流。这种高温蒸汽与周围室温惰性气体的快速混合导致其以约10⁴ K s^-1的速率迅速冷却，从而促进了流场中原子物种的成核。通过将较冷的基底放置在加热器上方的临界距离处，无需添加外部催化剂，这些气相物种即可生长成高度均匀、纯净的纳米材料产品和薄膜，并具有优异的成分和结构控制以及可定向沉积的特性。由于汽化的原子物种具有足够高的反应活性，因此EVD可以在大气压下进行，从而在保持扩散限制机制的同时实现高表面扩散通量。这抑制了扩散-反应不稳定性，即原子积累速度超过其反应速度，导致不规则生长和结晶度差的情况。作为概念验证，制备了由Mo₄₅Co₂₅Fe_yNi_yMn_30-2yO_x（其中y  = 10、12.5或15）组成的多元素（五元）单晶纳米圆盘，其中每种元素均匀分布。

相关研究成果以“Electrified vapour deposition at ultrahigh temperature and atmospheric pressure for nanomaterials synthesis”为题发表在Nature Synthesis上。

 03 核心创新点 

常压下的超高温原子蒸气生成：通过电加热碳纸产生高达 ~3000 K 的超高温，在常压惰性气体环境中将固态前驱体迅速蒸发并分解为原子级蒸气,突破了传统气相沉积方法（如CVD、PECVD、PLD等）通常需要真空或低气压的限制。

高通量、高反应性原子蒸气的定向流动：生成的蒸气具有极高的通量（10²¹–10²² atoms/cm²/s） 和高度反应性，能够以定向、稳定的层流形式向上流动，与周围气体快速混合并冷却（~10⁴ K/s），促进成核，可在秒级时间内合成单晶或多元素纳米材料，沉积速率高达 10–20 nm/s。

多元素纳米材料的非平衡合成能力：在非平衡热力学条件下（快速升降温）合成多元素合金、氧化物、硫化物等，甚至能实现不相容元素（如Mo与Fe）的均匀混合，形成单相结构。

可扩展的常压沉积与精准控制能力：通过调控加热周期（如2秒开/5秒关）和基底高度，精准控制基底温度（~600 K） 和产物尺寸（120–237 nm），并可实现卷对卷连续生产。