原子級“降維打擊”：改寫金屬物理學的百年定律2025年3月，中國科學院物理研究所的一項研究在《自然》雜誌掀起軒然大波。科研團隊，通過自主研發的“范德華擠壓技術”，首次將金屬鉍、錫鉛等材料壓縮至原子級厚度，即僅3個原子層的0.3奈米這個厚度相當於頭髮絲直徑的二十萬分之一。圖源：央視新聞范德華擠壓技術製備二維金屬的過程示意圖這一突破，不但打破了“金屬必須以三維形式存在”這樣的傳統認知，而且還被國際同行稱讚為“材料科學領域的量子性飛躍”。其實這種創新之舉，在一定程度上推動了整個學科的發展，並且也讓人們對金屬的特性有了全新的認識。技術原理：如何讓金屬“瘦身”百萬倍？不同於層狀材料（如石墨烯），通過機械剝離這種方式便可獲得二維結構；而金屬原子間存在著強鍵合作用，正因如此，它極其難以被“削薄”。中科院團隊，創造性地，採用單層二硫化鉬，作為“原子級壓砧”，而且在高溫之下，將液態金屬，擠壓成原子層。這種形似“三明治”的封裝結構，既輕輕鬆鬆地避開了金屬氧化，又給它賦予了極為特別的穩定性。實驗表明，二維金屬在空氣中存放一年，竟然依然能夠保持性能穩定。單層二硫化鉬封裝的單層金屬鉍 （中國科學院物理研究所 供圖）更令人驚嘆的是，其電學性能如下：單層鉍的電導率，相比塊體材料而言，提升了10倍；並且其電阻能夠通過柵壓進行調控，調控幅度達到35%（而傳統金屬僅僅只能調控1%）。這就意味著，未來的晶片電晶體，居然有希望實現“全金屬化”，在保持高導電性的同時，還能夠略微降低能耗。六大領域顛覆性應用：科幻照進現實晶片算力躍升百倍的“終極導線”當前晶片製程逼近1奈米極限，而且銅互連技術面臨著電子散射這一難題。二維金屬導線呢，其電阻率僅僅是銅的15，而且電流承載能力能夠提升10倍，這樣的話，就可以完美地解決這一瓶頸啦。華為已經聯合中科院成立了實驗室，計畫在2026年推出首款二維金屬晶片，估計將會推動人工智慧算力突破現有的極限。能源從超級電池到可控核聚變二維金屬電極，使鋰電池能量密度有望突破800Whkg（當前最高350Whkg），而且充電速度提升5倍。寧德時代投資50億元建設量產線，目標在2027年實現裝車測試。其實其耐高溫特性（3000℃）為可控核聚變“第一壁”材料研發提供了新方案，這樣的話，有助於人類叩開清潔能源的大門。航天軍工：星際航行的“原子裝甲”0.1毫米厚的二維金屬層，它能夠抵禦太空輻射以及微隕石的撞擊，而且未來的星際飛船有希望減重50%。其實它的全頻段雷達波吸收特性，竟然讓隱身戰機步入了“貼膜時代”——只要在表面覆蓋上超薄的導電層，就可以實現全向隱身。柔性電子：可摺疊裝置的終極形態二維金屬的柔韌性，與導電性結合，使柔性電路能夠直接印刷在螢幕基底之上。厚度僅僅為微米等級的柔性晶片，將會推動可摺疊手機、智能穿戴裝置邁入一個全新的紀元。量子計算：突破室溫超導的關鍵實驗發現，二維金屬，在低溫之下，呈現出二維超導特性，而且其轉變溫度，比傳統材料，提升了三倍之多。這為室溫量子電腦的研發，提供了全新的路徑，並且或許會加速量子霸權的實現。腦機介面：神經元等級的訊號傳輸奈米級厚度，而且高導電性，這使二維金屬電極能夠精準地捕捉單個神經元訊號。未來人類，其實或許可以通過植入式裝置來實現“意識操控機械”，進而開啟人機融合的新紀元。全球競爭：中國如何掌握“技術鎖喉權”中科院團隊已經申請了二百八十三項核心專利，較為輕鬆地把製備工藝、封裝技術以及應用場景等方面都涵蓋在內了，專利佔比超過了百分之七十。面對中國的技術突破，美日韓竟然迅速且緊急地成立了“二維金屬聯盟”，其實關鍵裝置（例如分子束外延系統）依然依賴中國供應。華為寧德時代等企業加快了佈局，這樣就把中國推到了產業轉化的前沿。商業化挑戰：從實驗室到規模化的鴻溝儘管前景頗為誘人，不過二維金屬的量產依舊面臨著諸多障礙：當下單次的生長面積僅僅只有10cm²而已，其成本更是高達黃金的300倍之多；並且對於奈米級顆粒所存在的環境風險尚未明晰清楚，每克這樣的材料在生產過程中需要耗費5000度電，因此也就需要有與之相配套的綠色電力體系。專家建議，在短期內應該優先於軍工、航天等領域實現突破，這個時候，還要同步對卷對卷製備技術展開攻關。未來願景：開啟材料科學的“平行宇宙”短期（2025-2030），二維金屬，輕鬆愉快地，將率先在航天器防護，以及高能雷射武器等國防領域得到應用，而且還會推動國產分子束外延裝置的研發。長期（2030+），如果說借助AI輔助設計，人類居然能夠像搭樂高一樣定製材料性能，這樣的話，將會催生太空電梯、量子電腦等“科幻級”應用。二維金屬的突破，不僅是材料科學的一個里程碑，更是中國科技實現彎道超車的一個縮影。當金屬以原子層的形態，重新塑造這個世界的時候，我們或許將見證人類文明邁向新紀元的關鍵一步。正如《自然》審稿人所言：“這是材料科學從‘發現時代’向‘創造時代’轉變的一個轉折點。”而中國正處在這場革命的最前沿。 (不掉髮的小呆呆)

中國科學院物理研究所/松山湖材料實驗室研究員張廣宇團隊發展了原子級製造的范德華擠壓技術，製備出原子極限厚度的各種二維金屬，補上了二維家族的“一大塊拼圖”。3月13日，相關研究成果發表於《自然》。審稿人認為，該研究“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”。單層二硫化鉬封裝的二維金屬鉍。受訪者供圖從“壓縮餅乾”中剝出“千層餅”二維材料的概念伴隨著2004年單層石墨烯的發現而被提出，它的許多新奇特性極大顛覆了人類對材料的認知，引領了凝聚態物理、材料科學等領域的發展。過去20年裡，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，理論預測有近2000種。然而，由佔據元素周期表大半江山的金屬構成的二維材料在這一家族中卻一直缺席。原子極限厚度的二維金屬有著廣闊的應用前景，將為超微型低功耗電晶體、高頻器件、柔性透明顯示、超靈敏探測、極致高效催化等領域帶來技術革新。“石墨烯是由單層碳原子組成的。理論上，把金屬做成單原子層厚度時，它就成了二維金屬。”張廣宇告訴《中國科學報》。然而，儘管過去實驗中觀察到了一些非常薄的材料，但由於尺寸太小且與襯底有很強的化學鍵相互作用，它們並非真正的二維金屬。2016年前後，張廣宇有了研究二維金屬的想法，但當時國際上還沒有成功的經驗。擺在科學家面前的有兩大難題——製備方法和材料樣品。已有二維材料是層狀結構的，像千層餅一樣，可以一張張被“撕開”，通過剝離等方式獲得二維單層。而金屬就像一塊緊實的“壓縮餅乾”，每個原子在任意方向均和周圍原子存在強金屬鍵相互作用，無法自然分層。“要想獲得原子極限厚度的二維金屬，就好比從壓縮餅乾中剝出千層餅那樣完整的一層，極具挑戰性。”張廣宇說。20年積累終獲突破鍛鋼、打金箔等工藝給研究團隊帶來了靈感。有“中華一絕”之稱的南京金箔鍛制技藝，通過數萬次錘打將金塊變成薄如蟬翼的100奈米厚的薄金箔。但這與達到單原子層厚度極限——小於1奈米還有很大距離。要達到極限，關鍵在於樣品的襯底要有原子級平整的表面，還要在施壓中克服材料各方向的力。過去20年，張廣宇團隊始終專注二維材料的製備和物性研究。2018年以來，團隊在藍寶石襯底上外延製備高品質連續單層二硫化鉬晶圓方面取得了一系列重要進展，2024年，他們在單層二硫化鉬單晶晶圓和8英吋晶圓外延技術上取得突破。二硫化鉬正是原子級光滑平整的二維半導體，可為二維金屬的製備提供理想的范德華壓砧。為什麼一定要平整？張廣宇解釋說，像壓麵糰一樣，假如按壓模具上全是刺，麵糰壓出來一定不平，無法達到“超薄”，而襯底就相當於模具。由於該實驗鮮少有團隊做過，且工廠裝置價格昂貴，張廣宇團隊決定改造實驗裝置，僅用幾萬元就達到了百萬元裝置的效果。最終，經過長時間摸索，他們得到了鉍、錫、鉛、銦、鎵等的單原子層金屬。這些二維金屬的厚度僅僅是一張A4紙的百萬分之一、一根頭髮絲直徑的二十萬分之一。該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提供了有效的原子級製造方案，為各種新興的量子、電子和光子器件應用提供了新的技術手段。貼上“中國標籤”通過超一年的材料特性測試，研究團隊發現這些二維金屬具有非常好的環境穩定性，將有利於器件製備以探測二維金屬的本征特性。此外，單層鉍的室溫電導率可達~9.0×106S/m，比塊體鉍高一個數量級以上，電阻可被柵壓調控達35%，為製備低功耗全金屬電晶體和高頻器件提供了新思路。“原子極限厚度的二維金屬不僅超越了當前二維層狀材料體系，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。例如，二維金屬不僅為理論研究提供了一個理想的量子受限模型體系，而且是實驗探索量子霍爾效應、二維超流或超導、拓撲相變等的絕佳載體。”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說。“在二維材料領域，石墨烯是英國人做出來的，其他成果也基本被歐美搶先。之前沒有人做過二維金屬，現在中國科學家做出來了，未來二維金屬領域就會貼上‘中國標籤’。”張廣宇說。相關論文資訊：https://doi.org/10.1038/s41586-025-08711-x (中國科學報)

研究背景自2004年單層石墨烯的發現以來，二維材料引領了凝聚態物理和材料科學領域的突破性進展，開創了二維材料研究的全新紀元。過去20年間，二維材料家族不斷壯大，實驗已獲得的二維材料種類達數百種，理論預測更是接近2000種。然而，現有的二維材料主要侷限於范德華層狀體系，而二維金屬作為備受矚目的新興材料，不僅有望突破這一侷限，拓寬二維材料家族的邊界，還可能催生諸多宏觀量子現象，推動理論、實驗和技術的發展。然而，受制於金屬的強鍵合和高度對稱性，二維金屬的製備極具挑戰性，尤其是在原子級極限下實現大面積、高品質的本征二維金屬更是難上加難。針對這一挑戰，松山湖材料實驗室張廣宇研究團隊聯合中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心N07課題組，提出了一種原子級製造策略——范德華擠壓技術，成功在埃米極限厚度下普適製備了多種二維金屬，包括鉍（Bi, 6.3 Å）、錫（Sn, 5.8 Å）、鉛（Pb, 7.5 Å）、銦（In, 8.4 Å）和鎵（Ga, 9.2 Å）。這一方法利用高品質單層MoS2作為範德華壓砧，在高壓條件下擠壓熔融金屬，使其在單層MoS2夾層中穩定存在，從而突破二維金屬製備的瓶頸。該研究工作在“Nature”期刊上發表了題為“Realization of 2D metals at the ångström thickness limit”的最新論文。松山湖材料實驗室博士生趙交交（已畢業）為論文第一作者，張廣宇研究員與中國科學院物理研究所杜羅軍特聘研究員為通訊作者。研究得到了杜世萱研究員、潘金波副研究員、李佩璇博士等的理論計算支援，並獲得科技部重點研發計畫、國家自然科學基金委、廣東省基礎與應用基礎研究重大項目及中國科學院等資助。國際審稿人對該研究給予高度評價，認為該工作“開創了二維金屬這一重要研究領域（opens an important research field on isolated 2D metals）”，並指出其“代表了二維材料研究領域的一項重大突破（represents a major advance in the study of 2D materials）”。這一突破性進展不僅為二維金屬的製備提供了有效策略，也為未來新型量子器件的開發勾勒出美好的願景。研究亮點(1) 實驗首次提出范德華擠壓技術，實現埃米極限二維金屬的普適製備，成功製備了包括鉍（Bi, 6.3 Å）、錫（Sn, 5.8 Å）、鉛（Pb, 7.5 Å）、銦（In, 8.4 Å）和鎵（Ga, 9.2 Å）在內的多種二維金屬。(2) 實驗通過高品質單層MoS2作為範德華壓砧，對熔融金屬進行擠壓，實現了二維金屬的原子級厚度控制（單層、雙層、三層），克服了金屬材料強鍵合和各向同性導致的製備難題。(3) 電學測試結果表明，單層鉍展現出優異的金屬性能，室溫電導率達~9.0×10⁶ S/m，比塊體鉍高一個數量級，並且呈現出明顯的P型電場效應，柵壓調控電阻幅度達35%，遠超傳統塊體金屬（<1%）。(4) 范德華擠壓製備的二維金屬具有極高的環境穩定性，在超過一年的測試中無性能退化，同時上下均被單層MoS2封裝，提供了研究二維金屬本征特性的理想平台。圖文解讀本文通過多種表徵手段對范德華擠壓法製備的二維金屬進行了深入研究，以揭示其結構特性和物理性質。首先，本文採用了光學顯微鏡（MM-400，尼康）對樣品的宏觀形貌進行了觀察，成功地揭示了不同金屬層在MoS2封裝下的形態特徵。通過對二維金屬的表面進行原子力顯微鏡（AFM）成像，進一步驗證了其厚度和表面平整性，證明了該方法能夠在原子尺度上精確控制金屬層的厚度，並確保了均勻性。拉曼光譜作為重要的表徵手段，揭示了二維金屬材料在不同厚度和封裝條件下的特徵峰位變化，通過拉曼譜的分析，成功確認了各金屬元素與MoS2的相互作用以及其對晶格振動模式的影響，為理解金屬的電子和結構特性提供了重要的依據。為了進一步探討材料的微觀結構，本文還採用了透射電子顯微鏡（TEM）進行選區電子衍射（SAED）測試，驗證了二維金屬的晶體結構以及其與MoS2的介面特徵。通過高解析度的高角度環形暗場掃描透射電子顯微鏡（HAADF-STEM）成像，本文成功捕捉到了原子等級的介面資訊，揭示了MoS2對金屬層的封裝效果，以及金屬原子在二維材料中的分佈規律。這些微觀表徵結果揭示了金屬與MoS2之間的強相互作用，以及金屬在MoS2封裝層內的穩定性，進一步解釋了這些二維金屬材料的環境穩定性和優異的性能。此外，本文還利用平面內X射線衍射（XRD）技術對樣品的晶體結構進行了深入分析，確認了所製備的二維金屬材料具有高度的結晶性，並通過比對XRD譜圖與理論預測的衍射峰位，進一步驗證了金屬層的原子排列。XRD表徵還揭示了金屬層與MoS2之間的結合方式，為理解二維金屬的機械和電子特性提供了關鍵的資訊。在運輸性質方面，本文通過低溫運輸測量系統，研究了二維金屬材料的電導性和霍爾效應，進一步揭示了這些材料的量子效應和輸運特性。非線性霍爾電導率的研究表明，二維金屬在電場驅動下表現出非線性響應，證實了這些材料在量子電子學中的潛力。結合理論計算，本文通過密度泛函理論（DFT）計算模擬了金屬與MoS2之間的相互作用，並預測了不同金屬體系的電子結構變化，進一步支援了實驗結果的合理性。圖 1. 二維金屬的范德華擠壓過程圖 2. 單層Bi的原子結構圖 4. 與層相關的屬性結論展望總之，本文展示了一種簡單、有效且普適的范德華擠壓方法，通過使用兩個相對的單層MoS2/藍寶石砧，成功實現了在埃米極限厚度下的二維金屬製備，包括鉍（Bi）、鎵（Ga）、銦（In）、錫（Sn）和鉛（Pb）。由於完全被單層MoS2封裝，這些製備出的二維金屬具有優異的環境穩定性和本征特性，鉍、錫、鉛樣品的實驗結果證明了這一點。值得注意的是，封裝的單層鉍在我們的測試中至少能保持1年的穩定性。如果某些應用需要暴露其表面，這些二維金屬不易從MoS2封裝層中分離。以二維鉍為例，我們展示了許多以前未知的新的物理特性。我們預見，這種范德華擠壓技術還將為二維金屬合金和其他多樣化的二維非范德華化合物的實現提供有效途徑，為研究新興的量子、電子和光子現象提供了一個多功能的材料平台。 (奈米人)

近期，中國科學院物理研究所的科研團隊，成功為金屬材料“重塑金身”，實現了厚度僅為頭髮絲直徑的二十萬分之一的單原子層金屬，為人類探索物質世界打開了全新維度。相關研究成果以《埃米厚度極限二維金屬的實現》為題發表在國際學術期刊《自然》。國際審稿人一致給予高度評價，認為該工作“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”。面對如何獲得二維金屬的挑戰，中國科學院物理研究所張廣宇研究員帶領團隊發展了原子級製造的范德華擠壓技術，實現了原子極限厚度下各種二維金屬的普適製備，包括鉍、錫、鉛、銦和鎵。這些二維金屬的厚度僅僅是一張A4紙的百萬分之一，是一根頭髮絲直徑的二十萬分之一。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。“原子極限厚度二維金屬的實現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。”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說。“就像三維金屬引領了人類文明的銅器、青銅和鐵器時代，原子極限厚度二維金屬有望推動下一階段文明的發展，帶來超微型低功耗電晶體、高頻器件、透明顯示、超靈敏探測、極致高效催化等眾多領域的技術革新。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闢了有效原子級製造方案，為各種新興的量子、電子和光子器件應用勾勒出美好願景。”論文共同通訊作者、中國科學院物理研究所研究員張廣宇說。 (人民網)

自2004年單層石墨烯發現以來，二維材料引領了凝聚態物理、材料科學等領域的系列突破性進展，開創了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，理論預測的更是近2000種。然而，這些二維材料基本侷限在范德華層狀材料體系。原子薄極限的二維金屬是近年來科研人員孜孜以求的新興二維材料，它的實現可以超越當前二維范德華層狀材料體系，拓寬二維材料家族，有望演生出各種宏觀量子現象，促進理論、實驗和技術的進步。但不同於范德華層狀材料，金屬是高度對稱的非范德華材料，各向同性且強的金屬鍵導致二維金屬的製備頗具挑戰。在過去幾年中，科學家為實現二維金屬做出了大量努力，但未能在原子薄極限下實現大尺寸和本征的二維金屬。針對上述挑戰，中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心科研人員提出了原子級製造的范德華擠壓技術，通過將金屬熔化並利用團隊前期製備的高品質單層MoS2范德華壓砧擠壓，實現了埃米極限厚度下各種二維金屬的普適製備，包括鉍（Bi，6.3Å）、錫（Sn，5.8Å）、鉛（Pb，7.5Å）、銦（In，8.4Å）和鎵 （Ga，9.2Å）。范德華擠壓製備的二維金屬上下均被單層MoS2封裝，具有優異的環境穩定性（在超1年的測試中無性能退化）和非成鍵的介面，利於器件製備以探索二維金屬的本征特性。電學測量表明，單層鉍的電導率隨著溫度的降低近線性增加，表現出經典金屬行為，室溫電導率可達~9.0×106S/m，比塊體鉍的室溫電導率（~7.8×105S/m）高一個數量級以上。並且，單層鉍展現出明顯的P型電場效應，其電阻可被柵電壓調控達35%（塊體金屬通常小於1%），為低功耗全金屬電晶體和高頻器件闡明了可能。同時，范德華擠壓技術能夠以原子精度控制二維金屬的厚度即單層、雙層或三層，為揭示此前難以企及的新奇層贋自旋特性提供了可能。該研究發展的范德華擠壓技術為二維金屬、合金以及其他二維非范德華材料開闢了有效的原子級製造方案。3月12日，相關研究成果發表在《自然》（Nature）上。審稿人高度評價這一成果：“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”。研究工作得到國家重點研發計畫、國家自然科學基金、中國科學院相關項目、廣東省基礎與應用基礎研究重大項目等的支援。論文連結范德華擠壓技術普適製備埃米極限厚度二維金屬(材料學網)]