重磅！1個原子厚的金屬片，中國科學家“壓”出來了

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”。

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)