我国开创二维金属研究新领域

近日，从中国科学院物理研究所获悉，该所科研团队成功研制出厚度仅为头发丝直径的二十万分之一的单原子层金属，这是国际上首次实现大面积二维金属材料的制备，开创了二维金属研究新领域。该成3月12日在国际学术期刊《自然》发表。

自2004年单层石墨烯发现以来，二维材料引领了凝聚态物理、材料科学等领域的系列突破性进展，并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，这些二维材料基本上局限在范德华层状材料体系。原子薄极限的二维金属是近年来孜孜以求的新兴二维材料，它的实现不仅可以超越当前二维范德华层状材料体系，拓宽二维材料家族，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。但不同于范德华层状材料，金属是高度对称的非范德华材料，各向同性且强的金属键导致二维金属的制备极具挑战。在过去几年中，人们为实现二维金属进行了大量努力，但未能在原子薄极限下实现大尺寸和本征的二维金属。

针对挑战，最近松山湖材料实验室张广宇研究团队与中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心N07课题组合作提出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MoS2范德华压砧挤压，实现了埃米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)。范德华挤压制备的二维金属上下均被单层MoS2所封装，因此具有非常好的环境稳定性（在超1年的测试中无性能退化）和非成键的界面，有利于通过器件制备来探索二维金属的本征特性。电学测量表明，单层铋的电导率随着温度的降低近线性增加，表现出经典金属行为，室温电导率可达~9.0×106 S/m，比块体铋的室温电导率（~7.8×105 S/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，其电阻可被栅电压调控达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的制备阐明了可行性。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新奇层赝自旋特性提供了可能。

这一工作是原子级制造的一个成功案例。国际审稿人一致给予该工作极高评价：“开创了二维金属这一重要研究领域opens an important research field on isolated 2D metals” ；“代表二维材料研究领域的一个重大进展represents a major advance in the study of 2D materials”。本工作发展的范德华挤压技术为二维金属、合金和其他二维非范德华材料开辟了有效原子级制造方案，有望为各种新兴的量子、电子和光子器件勾勒出美好的愿景。