【顶刊论文解读】比A4纸薄百万倍！科学家如何用原子级挤压术“重塑金身”？

　　在我国神话传说中，“重塑金身”的故事流传已久，像哪吒以莲藕重塑肉身，关键就在于材料的选择。无独有偶，科学家们也在执着探索一个极为相似的课题，给材料“重塑金身”，引领材料创新产业革命。

　　3月13日，中国科学院物理研究所团队在《自然》期刊发表突破性成果：他们成功制备出厚度仅为一张普通A4纸百万分之一的单原子层金属，这项被誉为“开创二维金属研究重要研究领域”的突破，或将重构未来电子技术的底层逻辑。

二维金属材料制备过程示意动画

　　从“千层饼”到“压缩饼干”，二维材料难题待解

　　自2004年单层石墨烯发现以来（该研究于2010年获得诺贝尔物理学奖），二维材料极大颠覆了人类对材料的原有认知（近一个世纪以来普遍认为二维材料是不存在的），并引领了凝聚态物理、材料科学等领域的系列突破性进展，开创了基础研究和技术创新的二维新纪元。

　　在过去20年中，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，理论预测的更是近 2000 种。然而，这些二维材料局限在层状材料体系，其三维母体的原子层通过弱的范德华力相连，可通过机械剥离等方式来获得二维单层。

　　但是，纵观整个材料数据库，层状材料的占比是非常小的，97.5%以上的是非层状材料，如生活中随处可见的金属。不同于层状材料（类似千层饼结构，很容易剥出完美一层），金属由于每个原子在任意方向均和周围原子有强的金属键相互作用（类似压缩饼干），要想将其重塑为原子极限厚度的二维金属，就好比从压缩饼干中剥出像千层饼那样完整的一层来一样，是极具挑战性的。

　　新突破：范德华挤压技术

　　面对如何获得二维金属的挑战，中国科学院物理研究所张广宇研究员带领团队发展了原子级制造的范德华挤压技术，通过将金属熔化并利用团队前期制备的高质量单层二硫化钼范德华压砧挤压，实现了原子极限厚度下各种二维金属的普适制备，包括铋 (Bi, 6.3 Å)、锡 (Sn, 5.8 Å)、铅 (Pb, 7.5 Å)、铟 (In, 8.4 Å) 和镓 (Ga, 9.2 Å)。这些二维金属的厚度仅仅是一张A4纸的百万分之一，是一根头发丝直径的二十万分之一。如果把一块边长3米的金属块压成单原子层厚，将可以铺满整个北京市的地面。

范德华挤压技术普适制备埃米极限厚度二维金属

　　那么，范德华挤压到底是什么？论文共同通讯作者、中国科学院物理研究所研究员张广宇形象地介绍，和通俗理解的两个平面对顶挤压是一样的，只是采用的压砧为原子级平整且无悬挂键的范德华材料，这是实现二维金属的核心技巧之一。

　　“我们通俗理解的两个平面，比如玻璃、金刚石等，虽然看起来很平，但是原子尺度是很粗糙的，我们要制备二维金属，必须用原子级平整的材料来压。”张广宇补充说，“此外，传统材料是有悬挂键的，在压的时候会和金属成键，制备二维金属，就需要采用无悬挂键的范德华材料。”

　　范德华挤压制备的二维金属上下均被单层二硫化钼所封装，具有非常好的环境稳定性（在超1年的实验测试中无性能退化）和非成键的界面，有利于器件制备以探测二维金属的本征特性。电学测量表明，单层铋的室温电导率可达～9.0×10⁶S/m，比块体铋的室温电导率（7.8×10⁵S/m）高一个数量级以上。并且，单层铋展现出明显的P型电场效应，其电阻可被栅压调控达35% （块体金属通常小于1%），为低功耗全金属晶体管和高频器件提供了新思路。此外，范德华挤压技术还能以原子精度控制二维金属的厚度（即单层、双层或三层），为揭示以前难以企及的层依赖特性提供了可能。

　　为二维材料家族补充了一大块拼图

　　关于这项突破，国际审稿人一致给予高度评价：“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”。

　　“原子极限厚度二维金属的实现不仅超越当前二维范德华层状材料体系，补充了二维材料家族的一大块拼图，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。如二维金属不仅为理论提供了一个理想的量子受限模型体系，也是实验探索量子霍尔效应、二维超流／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。

　　“就像三维金属引领了人类文明的铜器、青铜和铁器时代，原子极限厚度的二维金属有望推动下一阶段文明的发展，带来超微型低功耗晶体管、高频器件、透明显示、超灵敏探测、极致高效催化等众多领域的技术革新。此外，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也开辟了有效原子级制造方案，为各种新兴的量子、电子和光子器件应用勾勒出美好愿景。” 张广宇说。（光明网记者 宋雅娟）