中國科學家開創二維金屬研究新領域

——創新范德華擠壓技術實現二維金屬的普適制備

中國科學院物理研究所研究員張廣宇團隊發展了原子級制造的范德華擠壓技術，制備出原子極限厚度的各種二維金屬，完成二維家族的“一大塊拼圖”。相關研究成果于3月13日發表在《自然》雜志。

審稿人一致評價：“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”。

團隊成員合影，張廣宇（右三）、趙交交（右二）。受訪者供圖

從“壓縮餅干”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，它的諸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、材料科學等領域的突破性進展，拓展了基礎研究和技術創新。在過去20年里，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，理論預測更達近2000種。然而，由占據元素周期表大半江山的金屬構成的二維材料在家族中卻一直缺席。

原子極限厚度下二維金屬有著廣闊的應用前景，將會帶來超微型低功耗晶體管、高頻器件、柔性透明顯示、超靈敏探測、極致高效催化等眾多領域的技術革新。

“石墨烯是由單層碳原子的結構組成的。理論上，把金屬做成單原子層厚度時，就成了二維金屬。”張廣宇告訴《中國科學報》，盡管過去實驗中觀察到了一些非常薄的材料，但由于尺寸太小且和襯底有強的化學鍵相互作用，并非真正的二維金屬。

大約在2016年，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。擺在科學家面前有兩大難題：制備方法和材料樣品。

已有二維材料是層狀結構，就像千層餅一樣可以一張張“撕開”，從而通過剝離等方式來獲得二維單層。而金屬就像是一塊兒緊實的“壓縮餅干”，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，就好比從壓縮餅干中剝出像千層餅那樣完整的一層來一樣，極具挑戰性。”張廣宇說。

20年積累終獲突破

鍛鋼、打金箔等工業生產工藝給研究團隊帶來了靈感。有“中華一絕”之稱南京金箔鍛制技藝，通過數萬次捶打將金塊變成薄如蟬翼100納米薄金箔。但這離達到單原子層厚度極限（小于1納米）還有很大鴻溝。要達到原子極限的薄，關鍵在于樣品的襯底需有著原子級平整的表面，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制備和物性研究，2018年以來，團隊在藍寶石襯底上外延制備高質量連續單層二硫化鉬晶圓領域取得了一系列重要進展，且在2024年突破單層二硫化鉬單晶晶圓和8英寸晶圓外延技術。二硫化鉬正是原子級光滑平整的二維半導體，可為二維金屬的制備提供理想的范德華壓砧。

為什么一定要“平整”？張廣宇解釋道，就像壓面團，假如按壓的模具上全是刺，面團壓出來也一定不平，無法達到“超薄”，而襯底就相當于模具。

由于該實驗過去鮮少有團隊做過，而工廠設備價格昂貴，張廣宇團隊決定自己改造實驗設備，用幾萬元就達到了百萬級設備的效果。最終經過長時間摸索，團隊得到了包括鉍、錫、鉛、銦、鎵等單原子層金屬，這些二維金屬的厚度僅僅是一張A4紙的百萬分之一，是一根頭發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提供了新的技術手段。

貼上“中國標簽”

研究團隊通過超1年的材料特性測試，發現這些二維金屬具有非常好的環境穩定性，將有利于器件制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%，為低功耗全金屬晶體管和高頻器件提供了新思路。

“原子極限厚度下二維金屬的實現不僅超越當前二維層狀材料體系，還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。如二維金屬不僅為理論提供了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。

“在我跟張老師讀博士時，這一構思就有了，當時覺得不太能實現，因為金屬原子間作用力很強，不像層狀材料容易剝離。”杜羅軍坦承，該研究先后歷經多位學生畢業，而論文的第一作者、博士生趙交交更是歷經7年完成該工作——也是他博士期間唯一的一項工作。“張老師一直告訴我們要做別人很難實現的研究，努力開創新領域、探索新材料，多‘啃硬骨頭’。”

“在二維材料領域，石墨烯是英國人做出來的，其它也基本被歐美占據。之前沒有人做過二維金屬，中國科學家做出來了，未來二維金屬領域就會貼上中國標簽。”張廣宇說。

相關論文信息：https://doi.org/10.1038/s41586-025-08711-x