二维材料在CVD条件下究竟如何从无序前驱体“长”成有序晶体？传统经典成核理论通常把这一过程概括为跨越一个与临界晶核尺寸相关的自由能势垒，但真实的高温气-固界面同时伴随吸附、扩散、成键/断键、团簇重构和边缘演化，关键瞬态结构往往寿命极短、难以直接捕捉。近日，香港城市大学曾晓成教授、东南大学王金兰教授和同济大学程婷研究员团队合作，在Journal of the American Chemical Society上发表研究论文。研究团队提出基于化学感知采样的主动学习蒸馏框架（Chem-ALD），构建兼具近第一性原理精度与高计算效率的机器学习力场，并在石墨烯/Cu(111)和h-BN/Ni(111)两类具有不同界面生长机制的体系中，揭示出一条统一的多步（multitransition states, MTS）成核路径。

1.  为什么二维材料CVD成核如此难“看清”？

CVD是大面积制备高质量二维材料的重要技术路线，但其外延界面并不是一个接近平衡态的简单体系。典型生长温度约为800-1300 K，前驱体吸附与分解、表面扩散、原子聚集、共价键形成与断裂、边缘重构等过程可以同时发生。真正决定“是否成核、何时成核、最终形成何种结构”的构型，往往只是轨迹中极少出现的短寿命瞬态。

这给理论模拟带来两个彼此牵制的问题：一方面，第一性原理分子动力学精度高，却难以覆盖成核所需的长时间和大空间尺度；另一方面，常规机器学习力场虽然可以把模拟尺度显著放大，但如果训练数据主要来自稳定结构或预设反应路径，也可能漏掉最关键的反应构型。

因此，本工作的核心并不只是“训练一个更快的势函数”，而是解决一个更基础的问题：如何让模型在巨大的反应构型空间中，主动识别真正影响生长动力学的罕见事件。

2. Chem-ALD：让模型主动寻找“真正值得算”的瞬态结构

为此，研究团队提出Chem-ALD（Chemistry-aware Active-Learning Distillation ）框架。其思路可以概括为“高保真教师负责探索，轻量学生负责长时间生产模拟”。

第一步，利用AIMD和单点第一性原理计算构建初始数据集，覆盖吸附物、孤立原子、小团簇、重构表面和早期成核结构等代表性界面构型。第二步，训练基于MACE等变神经网络的高保真“教师”力场，使其能够较准确地描述复杂反应势能面。第三步，也是Chem-ALD最关键的一环：教师模型驱动迭代MLMD，并通过化学感知采样聚焦真正活跃的界面区域。模型利用非局域原子环境描述符识别对称性破缺、成键/断键和配位重排等变化，再结合时间去冗余和嵌入空间中的最远点采样，筛出少量但信息量高的构型交给DFT重新标注。

最后，将主动富集后的高质量数据蒸馏为计算更高效的NEP“学生”模型，用于数百纳秒、上万原子尺度的长时间MLMD模拟。这样，高精度模型负责“找对问题”，高效率模型负责“把过程真正跑出来”。

图 1. Chem-ALD用于高温CVD反应机器学习力场构建的整体框架。

图2. 化学感知主动采样策略：聚焦CVD反应活跃区域，以化学新颖性与结构多样性筛选关键构型。

3. 石墨烯与h-BN：不同界面化学，共享同一多步成核路径

研究团队选取了两类生长机制明显不同的体系进行验证：表面介导的石墨烯/Cu(111)和沉淀介导的h-BN/Ni(111)。在石墨烯体系中，静态热力学分析给出约12个碳原子的理论临界晶核尺寸，但机器学习分子动力学模拟表明，达到这一尺寸并不意味着体系会直接转变为二维晶核。更关键的是，两个体系都呈现出相同的连续拓扑演化：前驱体先组装成一维纳米链，再交联形成动态分支网络。随后发生首次环闭合，形成具有环状核心和外围分支的“纳米海星状”中间体，并进一步重构为含晶态核心的结构。石墨烯最终形成多六元环sp² 晶态核心，而h-BN则形成六方B-N晶态核心。

因此，尽管两种体系在元素组成、基底作用和前驱体反应机制上截然不同，其成核却遵循共同的“链—分支—环闭合—晶态核心”路径。其中，首次环闭合是初始成核阶段的关键决速事件，“纳米海星状”拓扑则充当连接波动前驱体与有序晶核的动力学桥梁，体现了多步成核机制的跨体系普适性。

图3. 石墨烯/Cu(111)上的反应能量景观与多步成核路径。首次环闭合将分支中间体转化为具有环状核心的“纳米海星状”结构，是初始成核阶段的关键中间体。

图4.  h-BN/Ni(111)单层成核的多步路径。与石墨烯体系一样，首次环闭合构成初始成核阶段的关键中间体。

4. 从“第一个环”到连续薄膜：成核之后发生了什么？

借助机器学习力场模型的高效率，研究团队进一步把模拟尺度扩展到约10 nm量级，并直接跟踪从早期成核到连续薄膜形成的全过程。两类体系均可划分为四个阶段：成核、岛生长、畴融合和连续二维薄膜形成。

在更大尺度上，模拟直接捕捉到多岛之间的竞争生长：较大的稳定畴吸收周围可移动物种，并逐步“吞并”较小的不稳定团簇，对应奥斯特瓦尔德熟化的原子尺度表现。与此同时，初始成核密度会显著影响后续畴拼接方式和最终缺陷分布。

拓扑环统计与分形维数进一步把这一形貌演化量化出来：早期高度分支的前驱体网络具有明显低于2的分形维数。随着内部晶化和面内致密生长，分形维数快速趋近二维平面极限2.0。最大团簇尺寸的爆发式增长则标志着原本彼此独立的岛开始发生物理贯通和融合，体系由离散岛相转变为连续二维薄膜。

图5. 石墨烯与h-BN 从成核、岛生长、畴融合到连续二维薄膜形成的时间演化。

图6. 拓扑环、团簇数和分形维数量化从离散团簇到连续二维晶体的转变。

5. 对实验合成的启示：并非“供料越多，成核越好”

这一结构分辨的多步成核机制也给出了比“临界晶核尺寸”更具体的合成启示。研究表明，高过饱和度本身并不能保证高质量成核。过快的前驱体供应可能促进无序聚集，并把体系困在非晶或缺陷中间态。相反，受控的前驱体供给、合适的生长/退火温度以及足够的结构重构时间，更有利于环闭合、拓扑重排和缺陷修复。

基底选择也不仅决定吸附强弱。理想基底需要在两方面取得平衡：既能够稳定关键前驱体和中间结构，又要保留足够的原子迁移率，使这些中间体能够继续完成环闭合并转化为有序晶核。

此外，作者还将Chem-ALD工作流程用于具有多种竞争多晶型的B/Ag(111)体系，并与EquiformerV2、eSEN-30M等通用机器学习势的零样本表现进行了比较。结果表明，Chem-ALD是一套面向复杂反应界面的数据生成与蒸馏策略：通过有针对性地发现并标注关键反应构型，为长时间、大尺度反应模拟提供更可靠的体系特定势能面。

总结

这项工作的核心贡献，是把二维材料CVD成核从“一个临界尺寸、一次势垒跨越”的静态图景，推进到“多个亚稳中间体连续重排、由关键中间态控制”的动力学图景。在石墨烯/Cu(111)和h-BN/Ni(111)两个差异显著的体系中，研究者观察到共同的链状、分支、“纳米海星状”和类分形中间体，并将首次环闭合确定为初始成核阶段的关键决速事件。

从更广泛的角度看，Chem-ALD提供了一种研究远离平衡态材料生长的新思路：不是试图穷举所有构型，而是把第一性原理计算集中在少量、罕见但真正决定反应动力学的结构上，再借助高效机器学习势把这些局域事件连接到可观测的介观形貌演化。

香港城市大学香港赛马会新晋创科学者JC STEM Early Career Research Fellow陆帅华为该论文的第一作者，通讯作者为香港城市大学曾晓成教授、东南大学王金兰教授和同济大学程婷研究员。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面）：

Neural-Network-Based Molecular Dynamics Unravel Generic Multitransition States in CVD Growth of Planar Honeycomb 2D Lattices

Shuaihua Lu, Zhuqin Zhang, Jian Jiang, Zhongfan Liu, Ting Cheng*, Jinlan Wang*, Xiao Cheng Zeng*

J. Am. Chem. Soc., 2026, DOI: 10.1021/jacs.6c12198

研究团队简介

曾晓成讲座教授受其父亲已故量子力学教育家北京大学物理系曾谨言教授的影响，于1980年考入北京大学物理系。1984年，他通过由李政道先生组织的中美联合招生（CUSPEA）项目赴美国俄亥俄州立大学攻读物理学博士。之后，他在美国芝加哥大学及加州大学洛杉矶分校从事物理化学博士后研究。1993—2022年间，他在美国内布拉斯加大学林肯分校依次担任物理化学助理教授、副教授、正教授、讲座教授以及校长讲座教授。自2022年起，曾晓成教授回国工作，担任香港城市大学材料科学及工程学系系主任。

曾晓成教授已发表SCI论文765余篇，其中包括Nature、Science 共计9篇（含纯理论2篇），以（共同）通讯作者在综合及学科顶级期刊发表Nature及Science子刊共26篇、Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. / J. Am. Chem. Soc./ Angew .Chem. Int. Ed. 共107篇；其中，以末位通讯作者身份发表的纯理论计算论文共计：Nature Physics 2 篇、Nature Catalysis 1 篇、PNAS 16 篇、J. Am. Chem. Soc. 42 篇、Nature Communications 6 篇、Angewandte Chemie International Edition 5 篇。 Google Scholar被引量达7万余次，H指数131。曾晓成于2024- 2025年入选ScholarGPS发布“全球前0.05%顶尖科学家终身榜单”，并于2019至2025年连续7年被科睿唯安引选为“最广获征引研究人员”。

曾晓成教授现在是欧洲科学院化学部外籍院士，美国物理学(APS)会会士，美国科学促进会(AAAS)会士，美国材料学会(MRS)会士。曾晓成还荣获美国古根海姆(Guggenheim)奖，英国皇家化学会(RSC)表界面奖（所有获奖者中唯一非欧洲学者), 美国化学学会中西部奖（1944年颁发以来首位华人获奖者）等国际奖项和荣誉。

https://www.x-mol.com/university/faculty/876730