气相沉积是合成纳米材料和涂层的常用技术，凭借产物纯度高、可扩展性强、废料少等优势，在电子、光学、航空航天和半导体等行业不可或缺，且逐渐成为大规模合成纳米材料的主导方法之一。然而，这类方法仍面临诸多核心挑战：传统热化学气相沉积（CVD）、等离子体增强 CVD（PECVD）等技术通常依赖低沸点挥发性前驱体，对于高沸点材料，需借助电子束、等离子体、脉冲激光等复杂高功率系统才能实现蒸发，不仅成本高昂，还受能量限制；多数气相沉积方法需在真空环境（<10⁻¹ Torr）或高稀释体系中进行，虽能抑制扩散 - 反应不稳定性以获得结晶材料，但存在设备昂贵、产率低、蒸气流速低、沉积速率慢等问题，限制了工艺速度和新材料筛选效率。尽管常压沉积技术（如常压脉冲激光沉积、燃烧 CVD 等）已被报道可实现高蒸气流速，但易发生汽 - 气相互作用，导致蒸发物种散射和材料生长的反应 - 扩散不稳定性，难以控制沉积膜的化学计量比、均匀性和晶体缺陷；火焰合成虽能在常压下快速制备非平衡结构材料，但火焰中复杂的中间物种和化学过程导致工艺可控性差，难以获得理想化学计量比和平衡晶体结构，且多生成氧化物。因此，开发一种能在更温和条件下将更广泛前驱体直接汽化为原子物种的技术，对于拓展气相沉积的应用范围、提高合成速率、探索新型复杂纳米材料具有重要意义。耶鲁大学胡良兵、普林斯顿大学琚诒光团队报道了一种电气化气相沉积（EVD）方法，基于电加热在常压下产生超高温原子蒸气，用于多元素纳米材料和薄膜的生长。该工艺依赖独特的反应器设计，固态前驱体被半限制在可达到约 3000 K 的电气化加热器下方的空间内，加热器的近距离加热快速断裂金属盐前驱体的化学键，将其分解为原子蒸气，形成温度高于 2000 K、高活性、高通量（10²¹-10²² 原子 /(cm²・s)）的定向上升气流。当这种高温蒸气与卷入的环境气体混合时，高活性原子物种快速成核并生长为目标产物（包括合金、氧化物、硫化物和薄膜），可沉积在低温基底上。EVD 的具体制备过程在常压氩气环境中进行：将金属盐前驱体装载到石墨板样品架上，碳纸加热器悬挂在前驱体上方约 1 mm 处，形成半限制空间；通过向碳纸施加电流，可在高时间分辨率（~1 ms）下精细调节工艺温度和加热时长，加热速率高达～10⁴ K/s，最高温度可达 3000 K；为避免基底过热，采用 “2 秒加热 + 5 秒冷却” 的循环模式实现连续合成。该方法成功合成了多种功能纳米材料，包括单相多元纳米材料（如 Mo₄₅Co₂₅FeyNiyMn₃₀₋₂yOₓ（y=10、12.5 或 15）五元单晶纳米盘），其中包含均匀混合的不混溶元素，且可通过调节加热器与基底的距离等参数调控纳米盘尺寸；此外，EVD 还可合成二维薄膜涂层，并通过卷对卷技术实现规模化生产，沉积速率约为 10-20 nm/s，蒸气流速较真空基气相沉积技术高 10⁴-10⁹倍，为低成本加工和新材料快速筛选提供了可能。该成果以“Electrified vapour deposition at ultrahigh temperature and atmospheric pressure for nanomaterials synthesis”为题发表在《 Nature Synthesis 》期刊上。- 图 1a-b 为 EVD 合成多元素纳米材料和薄膜的示意图（a）和实物图（b），前驱体粉末被限制在样品架和碳纸加热器之间，加热后汽化为高通量原子物种，超高温原子蒸气（~2600 K）从加热器与样品架的开放边缘扩张，向上对流并与室温气体混合，最终在悬浮的低温碳纸基底（~600 K）上沉积形成纳米材料。图 1c 为 Mo₄₅Co₂₅Fe₁₅Ni₁₅Oₓ产物的 HAADF-STEM 和 STEM-EDS 图像，证实结晶纳米盘中元素混合均匀，无明显偏析。图 1d 为 EVD 与其他气相沉积方法（PECVD、脉冲激光沉积（PLD）、热蒸发（TE）、溅射沉积（SD）、电子束蒸发（EBE））在蒸气流速和工作压力方面的对比，EVD 在常压下实现了超高蒸气流速，性能优势显著。
图 2a 左侧为 EVD 装置实物图，混合金属盐前驱体半限制在碳纸加热器下方；右侧为加热约 0.3 s（~2700 K）后形成稳定的火焰状蒸气流，持续向上流动并与上方碳纸基底接触，高温反应产物在基底上成核生长为多元素纳米材料。图 2b 为 EVD 合成的 Mo₄₅Co₂₅Fe₁₀Ni₁₀Mn₁₀Oₓ六方纳米盘的 HAADF-STEM 和 STEM-EDS 图像，显示元素混合均匀。图 2c 为 Mo₄₅Co₂₅Fe₁₀Ni₁₀Mn₁₀Oₓ纳米盘的原子分辨率高分辨 HAADF-STEM 和 STEM-EDS 图像，证实元素均匀混合，且不同元素分别占据 A₂B₃O₅晶体结构的 A 位（蓝色标记）和 B 位（黄色标记）。图 2d 为在加热器上方不同高度基底收集的蒸气相产物实物图；图 2e 为对应 Mo₄₅Co₂₅Fe₁₀Ni₁₀Mn₁₀Oₓ纳米盘的 SEM 图像和尺寸分布，随着基底高度从 3 cm 增加到 5 cm，纳米盘尺寸从 120±10 nm 增至 237±60 nm，表明可通过调控基底距离实现颗粒尺寸控制。
图 3a 为不同蒸气高度下 N₂的拉曼测量示意图；图 3b-c 为 NiCl₂作为前驱体时，不同蒸气高度的 N₂拉曼光谱（b）及对应的温度（c），0.6 cm 高度处蒸气温度（~2600 K）接近加热器温度（~2700 K），随高度增加温度逐渐降低，2.9 cm 处降至 1274±170 K。图 3d 为不同前驱体（NiCl₂、CoCl₂、NiCl₂+CoCl₂、MoCl₅+MnCl₂+FeCl₃+CoCl₂+NiCl₂）在 1.8 cm 高度处的蒸气温度，不同材料的蒸气温度相近，表明蒸气温度主要由碳纸加热器温度主导。图 3e 为 NiCl₂前驱体形成的蒸气相中，不同高度 Ni 原子的光学发射光谱（OES），Ni 原子发射峰位于～350-354 nm，最低高度处发射强度最高。图 3f 为加热器温度设定为～2700 K 时，NiCl₂前驱体在 EVD 过程中形成 Ni 纳米颗粒的激光诱导白炽光（LII）信号快照，反映纳米颗粒的成核与生长。图 3g 为 “2 秒加热 + 5 秒冷却” 循环模式下加热器和基底的温度曲线，基底平均温度可维持在～600 K，利于沉积；图 3h 为蒸气相与基底表面良好接触的实物图（蓝色虚线标记基底）；图 3i 为 7 轮循环加热（总沉积时间～15 s）后，Mo₄₅Co₂₅Fe₁₀Ni₁₀Mn₁₀Oₓ纳米盘的厚层沉积 SEM 图像。图 3j 为连续加热 15 s 时加热器和基底的温度曲线，基底温度升至～1000 K，沉积效果不佳；图 3k 为高温基底阻碍蒸气相成核的实物图，基底周围加热气体引发竞争流动效应，导致原子蒸气与基底之间形成间隙；图 3l 为连续加热 15 s 后沉积的 Mo₄₅Co₂₅Fe₁₀Ni₁₀Mn₁₀Oₓ纳米盘薄层 SEM 图像，证实高温基底显著降低沉积效率。
图 4a 为 Mo₄₅Co₂₅Fe₁₀Ni₁₀Mn₁₀Oₓ纳米盘的 STEM 图像，插图为面内和面外磁化示意图；图 4b 为 Mn 含量 10%、5% 和 0% 的纳米盘在 298 K 下的面内和面外磁滞回线，三种纳米盘在 2000 Oe 下的磁化强度约为 40 emu/g，与传统磁性薄膜和二维范德华磁性材料相当，且随着 Fe 和 Ni 含量增加，面内磁各向异性逐渐增强。图 4c 为 ZrO₂薄膜的 HAADF-STEM 和 STEM-EDS 图像，薄膜由纳米晶粒 ZrO₂组成，形成连续涂层。图 4d 为用于大规模纳米制造的卷对卷 EVD 装置示意图；图 4e 为卷对卷 EVD 演示后，沉积在碳布基底上的 Mo₄₅Co₂₅Fe₁₅Ni₁₅Oₓ纳米盘 SEM 图像，证实 EVD 技术的规模化潜力。
【结论】
该研究报道了一种利用电加热实现高温、高通量、高活性原子蒸气稳定流动的气相沉积方法（EVD），可用于合成多种材料，包括多元合金、硫化物、氧化物和薄膜涂层。EVD 与传统气相沉积方法（如热蒸发、PECVD、火焰合成等）相比具有显著优势：可在常压下进行，同时保持高温、高通量（10²¹-10²² 原子 /(cm²・s)）和定向流动，能在数秒内制备结晶、多元素功能纳米材料和涂层，支持新材料快速筛选；超高温特性使 EVD 仅通过焦耳加热即可汽化多种前驱体，无需依赖高蒸气压反应物或复杂能量输入系统；快速加热和冷却速率使热力学非平衡合成成为可能，可形成动力学捕获的复杂结构（如包含不混溶元素的单晶材料）；相较于需要燃料和氧化剂的火焰合成，EVD 可在无烃燃料和氧气的气氛中进行，利于合成更广泛的材料。结合卷对卷技术和可再生能源供电，EVD 有望满足催化、能源等领域复杂纳米材料的绿色制造需求，其广泛的通用性使其可直接或与其他气相沉积技术结合使用，大幅拓宽可合成材料的种类，为新型材料的性能探索提供支持。