中國科學院物理研究所科研團隊最近在這一領域取得重要突破，他們成功為金屬“重塑金身”，實現厚度僅為一張普通A4紙百萬分之一的單原子層金屬，這項被譽為給金屬打上“中國標簽”、有望開創二維金屬研究新領域的重要成果論文，以“埃米厚度極限二維金屬的實現”(1埃米=100億分之一米)為題，北京時間3月13日凌晨在國際知名學術期刊《自然》上線發表，審稿人認為“開創了二維金屬這一重要研究領域”“代表二維材料研究領域的一個重大進展”。
首次實現大面積二維金屬材料制備
論文共同通訊作者、中國科學院物理研究所張廣宇研究員介紹說，二維材料近一個世紀以來被普遍認為不存在，但自2004年單層石墨烯發現以來(該研究2010年獲得諾貝爾物理學獎)，二維材料極大顛覆了人類對材料的原有認知，并引領凝聚態物理、材料科學等領域的系列突破性進展，開創基礎研究和技術創新的二維新紀元。
在過去20年中，二維材料家族迅速擴大，目前實驗可獲得的二維材料達數百種，理論預測近2000種。不過，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弱的范德華力相連，可通過機械剝離等方式來獲得二維單層。縱觀整個材料數據庫，層狀材料的占比非常小，97.5%以上的是非層狀材料，如生活中隨處可見的金屬。
不同于層狀材料(類似千層餅結構，很容易剝出完美一層)，金屬由于每個原子在任意方向均和周圍原子有強的金屬鍵相互作用(類似壓縮餅干)，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那樣完整的一層來一樣而極具挑戰性。
科研團隊指出，二維材料可分為二維層狀材料和二維非層狀材料，以前的研究雖然發現很多二維材料，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現超越當前二維層狀材料體系，填補了二維材料家族的一大塊拼圖。
盡管過去實驗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，從納米材料定義來看，這些材料應該算零維(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的化學鍵相互作用，不能算嚴格意義上的本征二維金屬。
本次研究是首次實現大面積二維金屬材料的制備，也是首次實現環境穩定的二維金屬，以前小尺寸的薄層金屬非常不穩定，這次制備二維金屬測試顯示一年沒有任何性能退化。
二維金屬厚度僅A4紙百萬分之一
在本項研究中，面對如何獲得二維金屬的挑戰，張廣宇帶領團隊發展了原子級制造的范德華擠壓技術，通過將金屬熔化并利用團隊前期制備的高質量單層二硫化鉬范德華壓砧擠壓，實現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。
范德華擠壓技術普適制備埃米極限厚度二維金屬的示意圖。中國科學院物理研究所 供圖
這些二維金屬的厚度僅僅是一張A4紙的百萬分之一，也即一根頭發絲直徑的20萬分之一。“如果把一塊邊長3米的金屬塊壓成單原子層厚，將可以鋪滿整個北京市的地面。”張廣宇形象闡釋說。
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，具有非常好的環境穩定性(在超1年的實驗測試中無性能退化)和非成鍵的界面，有利于器件制備以探測二維金屬的本征特性。
其電學測量表明，單層鉍的室溫電導率比塊體鉍的室溫電導率高一個數量級以上，同時，單層鉍展現出明顯的P型電場效應，其電阻可被柵壓調控達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特性提供了可能。
有望推動人類文明下一階段的發展
論文共同通訊作者、中國科學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現，不僅超越當前二維范德華層狀材料體系，補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象，促進理論、實驗和技術的進步。比如，二維金屬既為材料理論研究提供一個理想的量子受限模型體系，也是實驗探索量子霍爾效應、二維超流／超導、拓撲相變等的絕佳載體。
張廣宇則認為，就像三維金屬引領了人類文明的銅器、青銅和鐵器時代，原子極限厚度的二維金屬有望推動下一階段人類文明的發展，帶來超微型低功耗晶體管、高頻器件、透明/柔性顯示、超靈敏探測、極致高效催化等眾多領域的技術革新與應用。
此外，范德華擠壓技術為二維金屬合金、非晶和其他二維非層狀材料也開辟了有效原子級制造方案，為各種新興的量子、電子和光子器件應用勾勒出美好愿景。
至于本次研究多次提及的專業術語范德華擠壓，科研團隊科普稱，它和通俗理解的兩個平面對頂擠壓一樣，只是采用的壓砧為原子級平整且無懸掛鍵的范德華材料，這是實現二維金屬的核心技巧之一。人們通俗理解的兩個平面，比如玻璃，金剛石等，雖然看起來很平，但其原子尺度很粗糙，要制備二維金屬，必須用原子級平整的材料來壓。
同時，從目前實現的結果來看，范德華擠壓能夠通過調控參數原子級精準地控制二維金屬的厚度，實現單層、雙層、三層，可以算原子級制造。
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