单层二硫化钼封装的二维金属铋。
■本报记者 韩扬眉
中国科学院物理研究所/松山湖材料实验室研究员张广宇团队发展了原子级制造的范德华挤压技术，制备出原子极限厚度的各种二维金属，补上了二维家族的“一大块拼图”。3月13日，相关研究成果发表于《自然》。
审稿人认为，该研究“开创了二维金属这一重要研究领域”“代表二维材料研究领域的一个重大进展”。
从“压缩饼干”中剥出“千层饼”
二维材料的概念伴随着2004年单层石墨烯的发现而被提出，它的许多新奇特性极大颠覆了人类对材料的认知，引领了凝聚态物理、材料科学等领域的发展。过去20年里，二维材料家族迅速扩大，目前实验可获得的二维材料达数百种，理论预测有近2000种。然而，由占据元素周期表大半江山的金属构成的二维材料在这一家族中却一直缺席。
原子极限厚度的二维金属有着广阔的应用前景，将为超微型低功耗晶体管、高频器件、柔性透明显示、超灵敏探测、极致高效催化等领域带来技术革新。
“石墨烯是由单层碳原子组成的。理论上，把金属做成单原子层厚度时，它就成了二维金属。”张广宇告诉《中国科学报》。然而，尽管过去实验中观察到了一些非常薄的材料，但由于尺寸太小且与衬底有很强的化学键相互作用，它们并非真正的二维金属。
2016年前后，张广宇有了研究二维金属的想法，但当时国际上还没有成功的经验。摆在科学家面前的有两大难题——制备方法和材料样品。
已有二维材料是层状结构的，像千层饼一样，可以一张张被“撕开”，通过剥离等方式获得二维单层。而金属就像一块紧实的“压缩饼干”，每个原子在任意方向均和周围原子存在强金属键相互作用，无法自然分层。
“要想获得原子极限厚度的二维金属，就好比从压缩饼干中剥出千层饼那样完整的一层，极具挑战性。”张广宇说。
20年积累终获突破
锻钢、打金箔等工艺给研究团队带来了灵感。
有“中华一绝”之称的南京金箔锻制技艺，通过数万次锤打将金块变成薄如蝉翼的100纳米厚的薄金箔。但这与达到单原子层厚度极限——小于1纳米还有很大距离。要达到极限，关键在于样品的衬底要有原子级平整的表面，还要在施压中克服材料各方向的力。
过去20年，张广宇团队始终专注二维材料的制备和物性研究。2018年以来，团队在蓝宝石衬底上外延制备高质量连续单层二硫化钼晶圆方面取得了一系列重要进展，2024年，他们在单层二硫化钼单晶晶圆和8英寸晶圆外延技术上取得突破。二硫化钼正是原子级光滑平整的二维半导体，可为二维金属的制备提供理想的范德华压砧。
为什么一定要平整？张广宇解释说，像压面团一样，假如按压模具上全是刺，面团压出来一定不平，无法达到“超薄”，而衬底就相当于模具。
由于该实验鲜少有团队做过，且工厂设备价格昂贵，张广宇团队决定改造实验设备，仅用几万元就达到了百万元设备的效果。
最终，经过长时间摸索，他们得到了铋、锡、铅、铟、镓等的单原子层金属。这些二维金属的厚度仅仅是一张A4纸的百万分之一、一根头发丝直径的二十万分之一。
该范德华挤压技术为二维金属合金、非晶和其他二维非层状材料提供了有效的原子级制造方案，为各种新兴的量子、电子和光子器件应用提供了新的技术手段。
贴上“中国标签”
通过超一年的材料特性测试，研究团队发现这些二维金属具有非常好的环境稳定性，将有利于器件制备以探测二维金属的本征特性。此外，单层铋的室温电导率可达~9.0×106S/m，比块体铋高一个数量级以上，电阻可被栅压调控达35%，为制备低功耗全金属晶体管和高频器件提供了新思路。
“原子极限厚度的二维金属不仅超越了当前二维层状材料体系，还有望衍生出各种宏观量子现象，促进理论、实验和技术的进步。例如，二维金属不仅为理论研究提供了一个理想的量子受限模型体系，而且是实验探索量子霍尔效应、二维超流或超导、拓扑相变等的绝佳载体。”论文共同通讯作者、中国科学院物理研究所特聘研究员杜罗军说。
“在二维材料领域，石墨烯是英国人做出来的，其他成果也基本被欧美抢先。之前没有人做过二维金属，现在中国科学家做出来了，未来二维金属领域就会贴上‘中国标签’。”张广宇说。
相关论文信息：
10.1038/s41586-025-08711-x
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