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近期,中国科学院物理研究所张广宇研究员和杜罗军特聘研究员团队开发了一种名为“范德华挤压法”的原子制造新手艺,乐成制备出包括铋(Bi)、镓(Ga)、铟(In)、锡(Sn)和铅(Pb)在内的多种二维金属。 这项研究的突破在于将金属质料厚度推向了埃米(?)级极限,相当于头发丝直径的二十万分之一。 这么薄的金属是一种什么看法呢? 张广宇给出了一个形象的比喻:“若是我们把 10 立方米的金属块压制成原子级厚度的二维金属薄片,其面积足以铺满整个北京城。” 这项研究效果具有主要的科学意义和应用价值: 一方面,填补了二维金属质料研究领域的空缺,拓展了二维质料家族的种类;另一方面,为探索奇异物理性子及修建未来新型电子器件和光子器件开发了新偏向。 审稿人评价该研究“开创了二维金属这一主要研究领域”“代表了二维质料研究领域的一个重大希望”。美国加州大学欧文分校桑切斯-山岸(Sanchez-Yamagishi)教授在 Nature 撰写 News & views 专栏评价该研究是“一个令人印象深刻的壮举”“实现了大面积真正的二维金属”。 (泉源:课题组) 日前,相关论文以《埃米厚度极限二维金属的实现》(Realization of 2D metals at the ?ngstr?m thickness limit)为题揭晓在 Nature [1]。 中国科学院物理研究所赵交交博士是第一作者,张广宇和杜罗军担当配合通讯作者。 图丨相关论文(泉源:Nature) 大道至简:“撕”出来的石墨烯,“挤”出来的二维金属 2004 年,英国物理学家康斯坦丁·诺沃肖洛夫(Konstantin Novoselov)和安德烈·海姆(Andre Geim)等人首次制备出稳固保存的、原子级厚度的单层石墨烯(graphene)[2]。 他们接纳了简朴的“胶带法”(机械剥离法),从石墨中“撕”出单层碳原子薄膜,不但验证了其在常温常压下的稳固性,还探索了其新颖的电子输运特征。这一突破性发明倾覆了古板认知,也成为二人获得 2010 年诺贝尔物理学奖的焦点事情之一。 从那之后,科学家们逐渐熟悉到二维质料家族的多样性,并陆续用胶带“撕”出多种新型二维质料,包括过渡金属硫族化合物(如 MoS2)、六方氮化硼(h-BN)、黑磷(Phosphorene)等。 这些二维质料大都是层状质料,其结构类似书籍中的纸张,其特征体现为:层内原子间的相互作用强,而层间的相互作用相对较弱。正是这种特征使得剥离单层质料相对容易,这也是早期的二维质料大都能够实现大面积制备的主要缘故原由。 就在领域内掀起石墨烯研究热潮时,2013 年,张广宇向导团队选择了一个“小众”的偏向——二维半导体质料 MoS2 手艺。 作为海内最早从事该偏向的团队之一,他们一直深入优化实验要领,逐渐实现了从毫米级到 8 英寸高定向的单层 MoS2 晶圆,并将载流子迁徙率提升至约 100cm?/V·s,为后续工业应用涤讪了坚实的基础。 2015 年,该团队最先探索更具挑战性的二维金属研究,试图揭开这一领域的“神秘面纱”。然而,研究希望并不顺遂。 图丨非层状结构的研究难点(泉源:课题组) 二维金属是二维质料家族的一个“另类”,与其他层状质料差别的是,它更像是细密结构群集而成的木头块——每个原子都与其周围的原子形成强耦合,犹如被“强力胶水”牢牢粘住。 这种结构使得单层金属的制备极其难题,由于金属原子在单层状态下极不稳固,稍有扰动就会重新群集形成三维结构。 图丨单层二硫化钼封装的二维金属铋(泉源:课题组) 就在课题组对二维金属制备要领“无从入手”时,MoS2 项目的研究履历带来了转机。彼时,该团队在单层 MoS2 的相关研究已靠近极限,他们最先思索怎样进一步提升其性能。一次实验中,研究职员实验将两层 MoS2 插入金属并施加压力后,发明通过这种要领竟能形成稳固的单层金属结构。 这一征象让张广宇遐想到工业金属铸造工艺,他提出一个要害设想:既然二维金属无法像石墨烯那样“撕”出来,是否可以通过高压将其“挤”出来? (泉源:Nature) 基于这一思绪,研究职员开发了全新的“范德华挤压法”。该要领的焦点在于使用两片单层 MoS2 笼罩的蓝宝石作为压砧,在高温高压下将熔融金属挤压成原子级厚度的薄膜。 详细流程包括三个要害办法:首先,将金属粉末置于底部压砧上,加热至熔化形成液滴;然后,两片压砧逐渐靠近并在约 150MPa 的高压下挤压,将液态金属压平成薄膜;最后,缓慢冷却至室温后,通过机械剥离获得完全封装在 MoS2 中的二维金属。 该要领乐成制备出多种超薄二维金属,如单层铋(厚度仅 6.3?),以及镓、铟、锡和铅等,均抵达 ? 级厚度。 图丨挤压装置的照片和示意图(泉源:Nature) 为电子器件和功效质料领域的应用开发全新可能 在该研究中,研究职员以单层铋为例,详细研究了其原子结构、光学和电子性子,起源发明了一系列突破古板认知的物理特征。这些发明为二维金属在电子器件和功效质料领域的应用开发了全新可能。 在电学性能方面,研究团队重点考察了金属在原子级厚度下的导电特征。 室温测试效果显示,单层铋的电导率高达 9.0×106S/m,相比块体铋(7.8×105S/m)提升了整整一个数目级。 “当首次视察到这一征象时,我们感应很是惊讶。由于凭证通例理论展望,相关效果应该远低于实测数据。”张广宇体现。 图丨单层铋的原子结构(泉源:Nature) 为了验证数据的可靠性,研究职员举行了长达数月的验证,通过多批次实验丈量和文献数据比对,最终确认了这一超常电导率的真实性。这一突破性发明批注,二维金属有望成为新一代芯片互连质料的理想选择。 别的,研究职员还发明二维金属保存显著的电场效应。实验数据显示,通过施加栅极电压,单层铋的电阻转变可达 35%,远高于块体金属通常小于 1% 的水平。 这一特征使得全金属晶体管的研制成为可能,与现有硅基器件相比, 这类晶体管在理论功耗和事情频率方面具有显著优势,也为开发新型逻辑电路和忆阻器提供了全新思绪。 图丨单层铋的电学性子(泉源:Nature) 在极端低温条件下(50mK),单层铋展现出约 0.22μm·S/V 的非线性霍尔电导率,这一数值比已报道的其他二维质料横跨两个数目级。同时,封装样品的恒久稳固性测试批注,单层铋在情形中可稳固保存至少一年,展现出优异的适用化远景。 除电子器件应用外,二维金属的多功效特征还展现出辽阔的应用远景。 在传感检测领域, 二维金属外貌原子对分子接触的瞬时响应特征,使其在气体探测、情形监测等方面具有奇异优势。这种超高迅速度甚至可拓展至雷达探测等高端应用场景。 在柔性电子领域, 与古板氧化铟锡电极相比,二维金属兼具原子级厚度、优异透光性和超高电导率,有望突破现有柔性显示手艺的性能瓶颈。这一特征还使其在可衣着装备、智能调光玻璃、新型光电器件等领域具有主要应用价值。 在催化科学方面, 二维金属的高活性外貌为其在能源转化、情形治理等领域的应用提供了新的可能性。 历届课题组成员十年间从 0 到 1 的“薪火相传” 张广宇研究员深受其博士导师王恩哥院士“做点纷歧样的,做点新的”学术头脑的影响,并将这一理念确立为团队的焦点指导头脑。这项二维金属研究的乐成,正是在一届届课题组成员十年的学术传承和一直探索中结下的硕果。 在研究初期,包括现任北京大学助理教授的卢晓波、南方科技大学副教授陈鹏以及即将担当浙江大学教授的汤建在内的多位课题组成员都曾实验攻克这一难题,但均因手艺瓶颈转向其他研究偏向。 直到团队成员刘杰英和赵交交发明可以通过“压制”工艺将 MoS2 的质料性能显著提升,为课题研究带来了新的突破偏向。杜罗军曾是团队的一员,他作为中国人民大学-中科院物理所团结作育博士,在芬兰阿尔托大学完成博士后研究后,于 2022 年重返张广宇团队,并加入了这项研究推动其更快生长。 图丨杜罗军(泉源:课题组) 杜罗军体现:“当我照旧博士生时,张先生始终勉励我们多去实验那些看似不可能的研究偏向,尤其是‘从 0 到 1’的原创性事情。宁愿失败了重新再来,也不去做跟风的研究。”现在,这种勇于探索未知的科研精神,已成为课题组代代相传的名贵财产。 从学生到导师的身份转变也让杜罗军深有感伤:“学生阶段要夯实专业基础,博士后阶段则需拓展学术视野,这种'先深度后广度'的作育模式对拉斯维加斯9888生长至关主要。” 现在,课题组虽已在实验室乐成制备出二维金属,样品尺寸抵达百微米量级,较古板机械剥离法有显著提升,但这只是一个最先,距离现实应用仍有一定的距离。另外也需要看到,现有实验手艺仅能制备原型器件至中试阶段,要实现工业化还需增强与工业界的深度相助。 图丨元素周期表(泉源:资料图) 为此,研究职员未来的研究偏向将聚焦于三个偏向:一是突破毫米级大面积二维金属薄膜制备手艺;二是深入探讨二维金属的作用机理、物理特征和稳固性,实现“从 0 到 1”原创性突破;三是将研究系统从现在已实现的 5 种金属拓展至更多金属元素,以探索超导、磁性等新颖物理征象。 “元素周期表中 80% 以上元素都是金属元素,而金属质料占全球结构质料的 70% 以上。拉斯维加斯9888研究只是揭开了二维金属的冰山一角,未来尚有更辽阔的空间值得继续探索。”张广宇体现。 参考资料: 1.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 2.Konstantin Novoselov,Andre Geim et al. Electric Field Effect in Atomically Thin Carbon Films. Science 306,5696,666-669(2024).https://doi.org/10.1126/science.110289 排版:刘雅坤