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基于金属衬底的二维材料制备

Metal-substrate synthesis of two dimensional materials

董建宇，黄永祺，田大铖，程鹏，陈岚

物理学报, 2026, 75(13): 130709

DOI: 10.7498/aps.75.20260083

CSTR: 32037.14.aps.75.20260083

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文章导读

二维材料因其原子级厚度、显著的量子限域效应以及丰富的可调控自由度，被视为突破传统器件物理极限、推动下一代光电子与量子器件发展的关键材料体系。然而，大量理论预言具有新奇电子态的单元素二维材料（如硅烯、锗烯、硼烯、锡烯等），由于缺乏对应的稳定体相层状结构，处于热力学亚稳态，既难以通过机械剥离直接获得，也往往无法在弱相互作用衬底上稳定存在。因此，如何为这类亚稳二维结构提供稳定的外延模板并实现可控生长，成为该领域研究中的核心难题。

针对上述瓶颈，利用金属衬底进行“自下而上”的外延生长策略被证明是一种行之有效的解决方案。金属衬底不仅能够提供原子级平整、长程有序的生长模板，还可通过界面相互作用显著降低二维结构的表面能，从而稳定自由状态下难以存在的二维相；其表面催化活性还有助于前驱体分解和原子在表面的扩散，对成核密度、晶畴取向等关键的生长参数具有重要的调控作用。在二元二维材料的合成中，金属衬底更可充当前驱体源与反应组元之一，通过沉积另一元素并辅以退火处理，实现目标化合物的原位制备。

本文围绕金属衬底在二维材料制备中的关键作用，系统回顾了近年来该方向取得的突破性进展，梳理了单元素及二元化合物二维材料在不同金属衬底上的制备方法、结构调控与生长机理。基于金属衬底的二维材料制备方法，不仅为拓展二维物性研究提供了丰富的物质平台，也为其器件应用奠定了可靠的材料基础。充分利用金属衬底与二维材料间的相互作用，有望推动该领域从基础研究迈向器件应用的崭新阶段。

图1  金属衬底对二维材料生长的调控机制

作者简介

陈  岚

中国科学院物理研究所研究员、博士生导师，中国科学院大学岗位教授

2001年本科毕业于中国科学技术大学物理学系，2006 年底于中国科学技术大学微尺度物质科学国家实验室获博士学位，博士阶段曾于 2004—2005 年初在香港科技大学物理系担任研究助理。2007—2010年于新加坡国立大学纳米科学技术中心Prof. Andrew Wee课题组开展博士后研究，并于2008年获新加坡千禧年博士后奖。2010年8月加入中国科学院物理所表面物理国家重点实验室。主要研究方向：1）类石墨烯新型单原子层二维单质材料；2）低维量子材料；3）二维体系异质结构；4）单分子/原子尺度下表面物理化学性质调控；5）新型表界面表征技术研发。共出版专著章节5部，发表学术论文超过150篇，代表性成果包含 Nature 1 篇、Science 1 篇，Nature Materials  1 篇、Nature Chemistry  2 篇、Physical Review Letters  14 篇、Nature Communications/ScienceAdvances 16 篇、Advanced Materials 8 篇、JACS 6 篇、PNAS 2 篇、Nano Letters 11 篇； Web of Science 总引用逾 11000 次，H 指数 47。2020年获北京市自然科学一等奖（完成人第二）、中国科学院大学“唐立新”优秀学者奖，2020—2024 年连续入选爱思唯尔中国高被引学者；2023 年获得国家杰出青年科学基金资助。

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