在中國(guó)神話傳說(shuō)和佛教故事中，哪吒“以蓮藕重塑肉身”、為佛像“重塑金身”等說(shuō)法廣為流傳，其關(guān)鍵在于材料選擇。在現(xiàn)實(shí)世界，科學(xué)家們也執(zhí)著于給材料“重塑金身”的探索研究，以期引領(lǐng)材料創(chuàng)新產(chǎn)業(yè)革命。

中國(guó)科學(xué)院物理研究所科研團(tuán)隊(duì)最近在這一領(lǐng)域取得重要突破，他們成功為金屬“重塑金身”，實(shí)現(xiàn)厚度僅為一張普通A4紙百萬(wàn)分之一的單原子層金屬，這項(xiàng)被譽(yù)為給金屬打上“中國(guó)標(biāo)簽”、有望開(kāi)創(chuàng)二維金屬研究新領(lǐng)域的重要成果論文，以“埃米厚度極限二維金屬的實(shí)現(xiàn)”(1埃米=100億分之一米)為題，北京時(shí)間3月13日凌晨在國(guó)際知名學(xué)術(shù)期刊《自然》上線發(fā)表，審稿人認(rèn)為“開(kāi)創(chuàng)了二維金屬這一重要研究領(lǐng)域”“代表二維材料研究領(lǐng)域的一個(gè)重大進(jìn)展”。

首次實(shí)現(xiàn)大面積二維金屬材料制備

論文共同通訊作者、中國(guó)科學(xué)院物理研究所張廣宇研究員介紹說(shuō)，二維材料近一個(gè)世紀(jì)以來(lái)被普遍認(rèn)為不存在，但自2004年單層石墨烯發(fā)現(xiàn)以來(lái)(該研究2010年獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng))，二維材料極大顛覆了人類(lèi)對(duì)材料的原有認(rèn)知，并引領(lǐng)凝聚態(tài)物理、材料科學(xué)等領(lǐng)域的系列突破性進(jìn)展，開(kāi)創(chuàng)基礎(chǔ)研究和技術(shù)創(chuàng)新的二維新紀(jì)元。

在過(guò)去20年中，二維材料家族迅速擴(kuò)大，目前實(shí)驗(yàn)可獲得的二維材料達(dá)數(shù)百種，理論預(yù)測(cè)近2000種。不過(guò)，這些二維材料局限在層狀材料體系，其三維母體的原子層通過(guò)弱的范德華力相連，可通過(guò)機(jī)械剝離等方式來(lái)獲得二維單層。縱觀整個(gè)材料數(shù)據(jù)庫(kù)，層狀材料的占比非常小，97.5%以上的是非層狀材料，如生活中隨處可見(jiàn)的金屬。

不同于層狀材料(類(lèi)似千層餅結(jié)構(gòu)，很容易剝出完美一層)，金屬由于每個(gè)原子在任意方向均和周?chē)佑袕?qiáng)的金屬鍵相互作用(類(lèi)似壓縮餅干)，要想將其重塑為原子極限厚度的二維金屬，就好比從壓縮餅干中剝出像千層餅?zāi)菢油暾囊粚觼?lái)一樣而極具挑戰(zhàn)性。

科研團(tuán)隊(duì)指出，二維材料可分為二維層狀材料和二維非層狀材料，以前的研究雖然發(fā)現(xiàn)很多二維材料，但基本局限在二維層狀材料，而金屬是非層狀材料，這次研究在原子極限厚度下二維金屬的實(shí)現(xiàn)超越當(dāng)前二維層狀材料體系，填補(bǔ)了二維材料家族的一大塊拼圖。

盡管過(guò)去實(shí)驗(yàn)中觀察到一些非常薄的金屬材料，但橫向尺寸面積很小，一般小于100納米，從納米材料定義來(lái)看，這些材料應(yīng)該算零維(而不是二維)材料。此外，以前制備的薄層金屬和襯底有非常強(qiáng)的化學(xué)鍵相互作用，不能算嚴(yán)格意義上的本征二維金屬。

本次研究是首次實(shí)現(xiàn)大面積二維金屬材料的制備，也是首次實(shí)現(xiàn)環(huán)境穩(wěn)定的二維金屬，以前小尺寸的薄層金屬非常不穩(wěn)定，這次制備二維金屬測(cè)試顯示一年沒(méi)有任何性能退化。

二維金屬厚度僅A4紙百萬(wàn)分之一

在本項(xiàng)研究中，面對(duì)如何獲得二維金屬的挑戰(zhàn)，張廣宇帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)發(fā)展了原子級(jí)制造的范德華擠壓技術(shù)，通過(guò)將金屬熔化并利用團(tuán)隊(duì)前期制備的高質(zhì)量單層二硫化鉬范德華壓砧擠壓，實(shí)現(xiàn)了原子極限厚度下各種二維金屬的普適制備，包括鉍、錫、鉛、銦和鎵。

范德華擠壓技術(shù)普適制備埃米極限厚度二維金屬的示意圖。中國(guó)科學(xué)院物理研究所 供圖

這些二維金屬的厚度僅僅是一張A4紙的百萬(wàn)分之一，也即一根頭發(fā)絲直徑的20萬(wàn)分之一。“如果把一塊邊長(zhǎng)3米的金屬塊壓成單原子層厚，將可以鋪滿整個(gè)北京市的地面。”張廣宇形象闡釋說(shuō)。

范德華擠壓制備的二維金屬上下均被單層二硫化鉬所封裝，具有非常好的環(huán)境穩(wěn)定性(在超1年的實(shí)驗(yàn)測(cè)試中無(wú)性能退化)和非成鍵的界面，有利于器件制備以探測(cè)二維金屬的本征特性。

其電學(xué)測(cè)量表明，單層鉍的室溫電導(dǎo)率比塊體鉍的室溫電導(dǎo)率高一個(gè)數(shù)量級(jí)以上，同時(shí)，單層鉍展現(xiàn)出明顯的P型電場(chǎng)效應(yīng)，其電阻可被柵壓調(diào)控達(dá)35%(塊體金屬通常小于1%)，為低功耗全金屬晶體管和高頻器件提供了新思路。此外，范德華擠壓技術(shù)還能以原子精度控制二維金屬的厚度(即單層、雙層或三層)，為揭示以前難以企及的層依賴(lài)特性提供了可能。

有望推動(dòng)人類(lèi)文明下一階段的發(fā)展

論文共同通訊作者、中國(guó)科學(xué)院物理研究所特聘研究員杜羅軍指出，此次原子極限厚度二維金屬的實(shí)現(xiàn)，不僅超越當(dāng)前二維范德華層狀材料體系，補(bǔ)充了二維材料家族的一大塊拼圖，還有望衍生出各種宏觀量子現(xiàn)象，促進(jìn)理論、實(shí)驗(yàn)和技術(shù)的進(jìn)步。比如，二維金屬既為材料理論研究提供一個(gè)理想的量子受限模型體系，也是實(shí)驗(yàn)探索量子霍爾效應(yīng)、二維超流／超導(dǎo)、拓?fù)湎嘧兊鹊慕^佳載體。

張廣宇則認(rèn)為，就像三維金屬引領(lǐng)了人類(lèi)文明的銅器、青銅和鐵器時(shí)代，原子極限厚度的二維金屬有望推動(dòng)下一階段人類(lèi)文明的發(fā)展，帶來(lái)超微型低功耗晶體管、高頻器件、透明/柔性顯示、超靈敏探測(cè)、極致高效催化等眾多領(lǐng)域的技術(shù)革新與應(yīng)用。

此外，范德華擠壓技術(shù)為二維金屬合金、非晶和其他二維非層狀材料也開(kāi)辟了有效原子級(jí)制造方案，為各種新興的量子、電子和光子器件應(yīng)用勾勒出美好愿景。

至于本次研究多次提及的專(zhuān)業(yè)術(shù)語(yǔ)范德華擠壓，科研團(tuán)隊(duì)科普稱(chēng)，它和通俗理解的兩個(gè)平面對(duì)頂擠壓一樣，只是采用的壓砧為原子級(jí)平整且無(wú)懸掛鍵的范德華材料，這是實(shí)現(xiàn)二維金屬的核心技巧之一。人們通俗理解的兩個(gè)平面，比如玻璃，金剛石等，雖然看起來(lái)很平，但其原子尺度很粗糙，要制備二維金屬，必須用原子級(jí)平整的材料來(lái)壓。

同時(shí)，從目前實(shí)現(xiàn)的結(jié)果來(lái)看，范德華擠壓能夠通過(guò)調(diào)控參數(shù)原子級(jí)精準(zhǔn)地控制二維金屬的厚度，實(shí)現(xiàn)單層、雙層、三層，可以算原子級(jí)制造。

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