近期，中國科學(xué)院物理研究所張廣宇研究員和杜羅軍特聘研究員團隊開發(fā)了一種名為“范德華擠壓法”的原子制造新技術(shù)，成功制備出包括鉍（Bi）、鎵（Ga）、銦（In）、錫（Sn）和鉛（Pb）在內(nèi)的多種二維金屬。
這項研究的突破在于將金屬材料厚度推向了埃米（?）級極限，相當于頭發(fā)絲直徑的二十萬分之一。
這么薄的金屬是一種什么概念呢？
張廣宇給出了一個形象的比喻：“假如我們把 10 立方米的金屬塊壓制成原子級厚度的二維金屬薄片，其面積足以鋪滿整個北京城?！?/p>
這項研究成果具有重要的科學(xué)意義和應(yīng)用價值：
一方面，填補了二維金屬材料研究領(lǐng)域的空白，拓展了二維材料家族的種類；另一方面，為探索奇異物理性質(zhì)及構(gòu)筑未來新型電子器件和光子器件開辟了新方向。
審稿人評價該研究“開創(chuàng)了二維金屬這一重要研究領(lǐng)域”“代表了二維材料研究領(lǐng)域的一個重大進展”。美國加州大學(xué)歐文分校桑切斯-山岸（Sanchez-Yamagishi）教授在Nature撰寫 News & views 專欄評價該研究是“一個令人印象深刻的壯舉”“實現(xiàn)了大面積真正的二維金屬”。
日前，相關(guān)論文以《埃米厚度極限二維金屬的實現(xiàn)》（Realization of 2D metals at the ?ngstr?m thickness limit）為題發(fā)表在Nature[1]。
中國科學(xué)院物理研究所趙交交博士是第一作者，張廣宇和杜羅軍擔任共同通訊作者。
大道至簡：“撕”出來的石墨烯，“擠”出來的二維金屬
2004 年，英國物理學(xué)家康斯坦丁·諾沃肖洛夫（Konstantin Novoselov）和安德烈·海姆（Andre Geim）等人首次制備出穩(wěn)定存在的、原子級厚度的單層石墨烯（graphene）[2]。
他們采用了簡單的“膠帶法”（機械剝離法），從石墨中“撕”出單層碳原子薄膜，不僅驗證了其在常溫常壓下的穩(wěn)定性，還探索了其新奇的電子輸運特性。這一突破性發(fā)現(xiàn)顛覆了傳統(tǒng)認知，也成為二人獲得 2010 年諾貝爾物理學(xué)獎的核心工作之一。
從那之后，科學(xué)家們逐漸認識到二維材料家族的多樣性，并陸續(xù)用膠帶“撕”出多種新型二維材料，包括過渡金屬硫族化合物（如 MoS2）、六方氮化硼（h-BN）、黑磷（Phosphorene）等。
這些二維材料多數(shù)是層狀材料，其結(jié)構(gòu)類似書本中的紙張，其特性表現(xiàn)為：層內(nèi)原子間的相互作用強，而層間的相互作用相對較弱。正是這種特性使得剝離單層材料相對容易，這也是早期的二維材料多數(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)大面積制備的重要原因。
就在領(lǐng)域內(nèi)掀起石墨烯研究熱潮時，2013 年，張廣宇帶領(lǐng)團隊選擇了一個“小眾”的方向——二維半導(dǎo)體材料 MoS2 技術(shù)。
作為國內(nèi)最早從事該方向的團隊之一，他們不斷深入優(yōu)化實驗方法，逐漸實現(xiàn)了從毫米級到 8 英寸高定向的單層 MoS2 晶圓，并將載流子遷移率提升至約 100cm2/V·s，為后續(xù)產(chǎn)業(yè)應(yīng)用奠定了堅實的基礎(chǔ)。
2015 年，該團隊開始探索更具挑戰(zhàn)性的二維金屬研究，試圖揭開這一領(lǐng)域的“神秘面紗”。然而，研究進展并不順利。
二維金屬是二維材料家族的一個“另類”，與其他層狀材料不同的是，它更像是緊密結(jié)構(gòu)堆積而成的木頭塊——每個原子都與其周圍的原子形成強耦合，如同被“強力膠水”牢牢粘住。
這種結(jié)構(gòu)使得單層金屬的制備極其困難，因為金屬原子在單層狀態(tài)下極不穩(wěn)定，稍有擾動就會重新聚集形成三維結(jié)構(gòu)。
就在課題組對二維金屬制備方法“無從入手”時，MoS2 項目的研究經(jīng)驗帶來了轉(zhuǎn)機。彼時，該團隊在單層 MoS2 的相關(guān)研究已接近極限，他們開始思考如何進一步提升其性能。一次實驗中，研究人員嘗試將兩層 MoS2 插入金屬并施加壓力后，發(fā)現(xiàn)通過這種方法竟能形成穩(wěn)定的單層金屬結(jié)構(gòu)。
這一現(xiàn)象讓張廣宇聯(lián)想到工業(yè)金屬鍛造工藝，他提出一個關(guān)鍵設(shè)想：既然二維金屬無法像石墨烯那樣“撕”出來，是否可以通過高壓將其“擠”出來？
基于這一思路，研究人員開發(fā)了全新的“范德華擠壓法”。該方法的核心在于利用兩片單層 MoS2 覆蓋的藍寶石作為壓砧，在高溫高壓下將熔融金屬擠壓成原子級厚度的薄膜。
具體流程包括三個關(guān)鍵步驟：首先，將金屬粉末置于底部壓砧上，加熱至熔化形成液滴；然后，兩片壓砧逐漸靠近并在約 150MPa 的高壓下擠壓，將液態(tài)金屬壓平成薄膜；最后，緩慢冷卻至室溫后，通過機械剝離獲得完全封裝在 MoS2 中的二維金屬。
該方法成功制備出多種超薄二維金屬，如單層鉍（厚度僅 6.3?），以及鎵、銦、錫和鉛等，均達到 ? 級厚度。
為電子器件和功能材料領(lǐng)域的應(yīng)用開辟全新可能
在該研究中，研究人員以單層鉍為例，詳細研究了其原子結(jié)構(gòu)、光學(xué)和電子性質(zhì)，初步發(fā)現(xiàn)了一系列突破傳統(tǒng)認知的物理特性。這些發(fā)現(xiàn)為二維金屬在電子器件和功能材料領(lǐng)域的應(yīng)用開辟了全新可能。
在電學(xué)性能方面，研究團隊重點考察了金屬在原子級厚度下的導(dǎo)電特性。室溫測試結(jié)果顯示，單層鉍的電導(dǎo)率高達 9.0×106S/m，相比塊體鉍（7.8×105S/m）提升了整整一個數(shù)量級。
“當首次觀察到這一現(xiàn)象時，我們感到非常驚訝。因為根據(jù)常規(guī)理論預(yù)測，相關(guān)結(jié)果應(yīng)該遠低于實測數(shù)據(jù)。”張廣宇表示。
為了驗證數(shù)據(jù)的可靠性，研究人員進行了長達數(shù)月的驗證，通過多批次實驗測量和文獻數(shù)據(jù)比對，最終確認了這一超常電導(dǎo)率的真實性。這一突破性發(fā)現(xiàn)表明，二維金屬有望成為新一代芯片互連材料的理想選擇。
此外，研究人員還發(fā)現(xiàn)二維金屬存在顯著的電場效應(yīng)。實驗數(shù)據(jù)顯示，通過施加?xùn)艠O電壓，單層鉍的電阻變化可達 35%，遠高于塊體金屬通常小于 1% 的水平。
這一特性使得全金屬晶體管的研制成為可能，與現(xiàn)有硅基器件相比，這類晶體管在理論功耗和工作頻率方面具有顯著優(yōu)勢，也為開發(fā)新型邏輯電路和憶阻器提供了全新思路。
在極端低溫條件下（50mK），單層鉍展現(xiàn)出約 0.22μm·S/V 的非線性霍爾電導(dǎo)率，這一數(shù)值比已報道的其他二維材料高出兩個數(shù)量級。同時，封裝樣品的長期穩(wěn)定性測試表明，單層鉍在環(huán)境中可穩(wěn)定存在至少一年，展現(xiàn)出優(yōu)異的實用化前景。
除電子器件應(yīng)用外，二維金屬的多功能特性還展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。
在傳感檢測領(lǐng)域，二維金屬表面原子對分子接觸的瞬時響應(yīng)特性，使其在氣體探測、環(huán)境監(jiān)測等方面具有獨特優(yōu)勢。這種超高靈敏度甚至可拓展至雷達探測等高端應(yīng)用場景。
在柔性電子領(lǐng)域，與傳統(tǒng)氧化銦錫電極相比，二維金屬兼具原子級厚度、優(yōu)異透光性和超高電導(dǎo)率，有望突破現(xiàn)有柔性顯示技術(shù)的性能瓶頸。這一特性還使其在可穿戴設(shè)備、智能調(diào)光玻璃、新型光電器件等領(lǐng)域具有重要應(yīng)用價值。
在催化科學(xué)方面，二維金屬的高活性表面為其在能源轉(zhuǎn)化、環(huán)境治理等領(lǐng)域的應(yīng)用提供了新的可能性。
歷屆課題組成員十年間從 0 到 1 的“薪火相傳”
張廣宇研究員深受其博士導(dǎo)師王恩哥院士“做點不一樣的，做點新的”學(xué)術(shù)思想的影響，并將這一理念確立為團隊的核心指導(dǎo)思想。這項二維金屬研究的成功，正是在一屆屆課題組成員十年的學(xué)術(shù)傳承和不斷探索中結(jié)下的碩果。
在研究初期，包括現(xiàn)任北京大學(xué)助理教授的盧曉波、南方科技大學(xué)副教授陳鵬以及即將擔任浙江大學(xué)教授的湯建在內(nèi)的多位課題組成員都曾嘗試攻克這一難題，但均因技術(shù)瓶頸轉(zhuǎn)向其他研究方向。
直到團隊成員劉杰英和趙交交發(fā)現(xiàn)可以通過“壓制”工藝將 MoS2 的材料性能顯著提升，為課題研究帶來了新的突破方向。杜羅軍曾是團隊的一員，他作為中國人民大學(xué)-中科院物理所聯(lián)合培養(yǎng)博士，在芬蘭阿爾托大學(xué)完成博士后研究后，于 2022 年重返張廣宇團隊，并加入了這項研究推動其更快發(fā)展。
杜羅軍表示：“當我還是博士生時，張老師始終鼓勵我們多去嘗試那些看似不可能的研究方向，尤其是‘從 0 到 1’的原創(chuàng)性工作。寧可失敗了重新再來，也不去做跟風(fēng)的研究?！比缃瘢@種勇于探索未知的科研精神，已成為課題組代代相傳的寶貴財富。
從學(xué)生到導(dǎo)師的身份轉(zhuǎn)變也讓杜羅軍深有感觸：“學(xué)生階段要夯實專業(yè)基礎(chǔ)，博士后階段則需拓展學(xué)術(shù)視野，這種'先深度后廣度'的培養(yǎng)模式對我們的成長至關(guān)重要?！?/p>
目前，課題組雖已在實驗室成功制備出二維金屬，樣品尺寸達到百微米量級，較傳統(tǒng)機械剝離法有顯著提升，但這只是一個開始，距離實際應(yīng)用仍有一定的距離。另外也需要看到，現(xiàn)有實驗技術(shù)僅能制備原型器件至中試階段，要實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化還需加強與工業(yè)界的深度合作。
為此，研究人員未來的研究方向?qū)⒕劢褂谌齻€方向：一是突破毫米級大面積二維金屬薄膜制備技術(shù)；二是深入探究二維金屬的作用機理、物理特性和穩(wěn)定性，實現(xiàn)“從 0 到 1”原創(chuàng)性突破；三是將研究體系從目前已實現(xiàn)的 5 種金屬拓展至更多金屬元素，以探索超導(dǎo)、磁性等新穎物理現(xiàn)象。
“元素周期表中 80% 以上元素都是金屬元素，而金屬材料占全球結(jié)構(gòu)材料的 70% 以上。我們的研究只是揭開了二維金屬的冰山一角，未來還有更廣闊的空間值得繼續(xù)探索。”張廣宇表示。
參考資料：
1.Zhao, J., Li, L., Li, P. et al. Realization of 2D metals at the ?ngstr?m thickness limit.Nature639, 354–359 (2025). https://doi.org/10.1038/s41586-025-08711-x
2.Konstantin Novoselov,Andre Geim et al. Electric Field Effect in Atomically Thin Carbon Films.Science306,5696,666-669(2024).https://doi.org/10.1126/science.110289
排版：劉雅坤
熱門跟貼