二維金屬，Nature!
米測MeLab
納米人
2025-03-17
研究背景
自2004年單層石墨烯的發(fā)現(xiàn)以來，二維材料引領(lǐng)了凝聚態(tài)物理和材料科學(xué)領(lǐng)域的突破性進(jìn)展，開創(chuàng)了二維材料研究的全新紀(jì)元。過去20年間，二維材料家族不斷壯大，實驗已獲得的二維材料種類達(dá)數(shù)百種，理論預(yù)測更是接近2000種。然而，現(xiàn)有的二維材料主要局限于范德華層狀體系，而二維金屬作為備受矚目的新興材料，不僅有望突破這一局限，拓寬二維材料家族的邊界，還可能催生諸多宏觀量子現(xiàn)象，推動理論、實驗和技術(shù)的發(fā)展。然而，受制于金屬的強(qiáng)鍵合和高度對稱性，二維金屬的制備極具挑戰(zhàn)性，尤其是在原子級極限下實現(xiàn)大面積、高質(zhì)量的本征二維金屬更是難上加難。針對這一挑戰(zhàn)，松山湖材料實驗室張廣宇研究團(tuán)隊聯(lián)合中國科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家研究中心N07課題組，提出了一種原子級制造策略——范德華擠壓技術(shù)，成功在埃米極限厚度下普適制備了多種二維金屬，包括鉍（Bi, 6.3??）、錫（Sn, 5.8??）、鉛（Pb, 7.5??）、銦（In, 8.4??）和鎵（Ga, 9.2 ?）。這一方法利用高質(zhì)量單層MoS2作為范德華壓砧，在高壓條件下擠壓熔融金屬，使其在單層MoS2夾層中穩(wěn)定存在，從而突破二維金屬制備的瓶頸。 該研究工作在“Nature”期刊上發(fā)表了題為“Realization of 2D metals at the ?ngstr?m thickness limit”的最新論文。松山湖材料實驗室博士生趙交交（已畢業(yè)）為論文第一作者，張廣宇研究員與中國科學(xué)院物理研究所杜羅軍特聘研究員為通訊作者。研究得到了杜世萱研究員、潘金波副研究員、李佩璇博士等的理論計算支持，并獲得科技部重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金委、廣東省基礎(chǔ)與應(yīng)用基礎(chǔ)研究重大項目及中國科學(xué)院等資助。國際審稿人對該研究給予高度評價，認(rèn)為該工作“開創(chuàng)了二維金屬這一重要研究領(lǐng)域（opens an important research field on isolated 2D metals）”，并指出其“代表了二維材料研究領(lǐng)域的一項重大突破（represents a major advance in the study of 2D materials）”。這一突破性進(jìn)展不僅為二維金屬的制備提供了有效策略，也為未來新型量子器件的開發(fā)勾勒出美好的愿景。研究亮點
(1) 實驗首次提出范德華擠壓技術(shù)，實現(xiàn)埃米極限二維金屬的普適制備，成功制備了包括鉍（Bi, 6.3??）、錫（Sn, 5.8??）、鉛（Pb, 7.5??）、銦（In, 8.4??）和鎵（Ga, 9.2 ?）在內(nèi)的多種二維金屬。(2) 實驗通過高質(zhì)量單層MoS2作為范德華壓砧，對熔融金屬進(jìn)行擠壓，實現(xiàn)了二維金屬的原子級厚度控制（單層、雙層、三層），克服了金屬材料強(qiáng)鍵合和各向同性導(dǎo)致的制備難題。(3) 電學(xué)測試結(jié)果表明，單層鉍展現(xiàn)出優(yōu)異的金屬性能，室溫電導(dǎo)率達(dá)~9.0×10? S/m，比塊體鉍高一個數(shù)量級，并且呈現(xiàn)出明顯的P型電場效應(yīng)，柵壓調(diào)控電阻幅度達(dá)35%，遠(yuǎn)超傳統(tǒng)塊體金屬（<1%）。(4) 范德華擠壓制備的二維金屬具有極高的環(huán)境穩(wěn)定性，在超過一年的測試中無性能退化，同時上下均被單層MoS2封裝，提供了研究二維金屬本征特性的理想平臺。圖文解讀
本文通過多種表征手段對范德華擠壓法制備的二維金屬進(jìn)行了深入研究，以揭示其結(jié)構(gòu)特性和物理性質(zhì)。首先，本文采用了光學(xué)顯微鏡（MM-400，尼康）對樣品的宏觀形貌進(jìn)行了觀察，成功地揭示了不同金屬層在MoS2封裝下的形態(tài)特征。通過對二維金屬的表面進(jìn)行原子力顯微鏡（AFM）成像，進(jìn)一步驗證了其厚度和表面平整性，證明了該方法能夠在原子尺度上精確控制金屬層的厚度，并確保了均勻性。拉曼光譜作為重要的表征手段，揭示了二維金屬材料在不同厚度和封裝條件下的特征峰位變化，通過拉曼譜的分析，成功確認(rèn)了各金屬元素與MoS2的相互作用以及其對晶格振動模式的影響，為理解金屬的電子和結(jié)構(gòu)特性提供了重要的依據(jù)。為了進(jìn)一步探討材料的微觀結(jié)構(gòu)，本文還采用了透射電子顯微鏡（TEM）進(jìn)行選區(qū)電子衍射（SAED）測試，驗證了二維金屬的晶體結(jié)構(gòu)以及其與MoS2的界面特征。通過高分辨率的高角度環(huán)形暗場掃描透射電子顯微鏡（HAADF-STEM）成像，本文成功捕捉到了原子級別的界面信息，揭示了MoS2對金屬層的封裝效果，以及金屬原子在二維材料中的分布規(guī)律。這些微觀表征結(jié)果揭示了金屬與MoS2之間的強(qiáng)相互作用，以及金屬在MoS2封裝層內(nèi)的穩(wěn)定性，進(jìn)一步解釋了這些二維金屬材料的環(huán)境穩(wěn)定性和優(yōu)異的性能。此外，本文還利用平面內(nèi)X射線衍射（XRD）技術(shù)對樣品的晶體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了深入分析，確認(rèn)了所制備的二維金屬材料具有高度的結(jié)晶性，并通過比對XRD譜圖與理論預(yù)測的衍射峰位，進(jìn)一步驗證了金屬層的原子排列。XRD表征還揭示了金屬層與MoS2之間的結(jié)合方式，為理解二維金屬的機(jī)械和電子特性提供了關(guān)鍵的信息。在運輸性質(zhì)方面，本文通過低溫運輸測量系統(tǒng)，研究了二維金屬材料的電導(dǎo)性和霍爾效應(yīng)，進(jìn)一步揭示了這些材料的量子效應(yīng)和輸運特性。非線性霍爾電導(dǎo)率的研究表明，二維金屬在電場驅(qū)動下表現(xiàn)出非線性響應(yīng)，證實了這些材料在量子電子學(xué)中的潛力。結(jié)合理論計算，本文通過密度泛函理論（DFT）計算模擬了金屬與MoS2之間的相互作用，并預(yù)測了不同金屬體系的電子結(jié)構(gòu)變化，進(jìn)一步支持了實驗結(jié)果的合理性。 結(jié)論展望
總之，本文展示了一種簡單、有效且普適的范德華擠壓方法，通過使用兩個相對的單層MoS2/藍(lán)寶石砧，成功實現(xiàn)了在埃米極限厚度下的二維金屬制備，包括鉍（Bi）、鎵（Ga）、銦（In）、錫（Sn）和鉛（Pb）。由于完全被單層MoS2封裝，這些制備出的二維金屬具有優(yōu)異的環(huán)境穩(wěn)定性和本征特性，鉍、錫、鉛樣品的實驗結(jié)果證明了這一點。值得注意的是，封裝的單層鉍在我們的測試中至少能保持1年的穩(wěn)定性。如果某些應(yīng)用需要暴露其表面，這些二維金屬不易從MoS2封裝層中分離。以二維鉍為例，我們展示了許多以前未知的新的物理特性。我們預(yù)見，這種范德華擠壓技術(shù)還將為二維金屬合金和其他多樣化的二維非范德華化合物的實現(xiàn)提供有效途徑，為研究新興的量子、電子和光子現(xiàn)象提供了一個多功能的材料平臺。Zhao, J., Li, L., Li, P. et al. Realization of 2D metals at the ?ngstr?m thickness limit. Nature 639, 354–359 (2025). https://doi.org/10.1038/s41586-025-08711-x
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