中国科学院物理所最新Nature：金属被压缩至两个原子厚度！

来自中国科学院物理研究所&中国科学院大学的杜罗军以及中国科学院物理研究所、中国科学院大学和松山湖材料实验室的张广宇等研究者开发了一种vdW挤压方法，在埃量级厚度极限下实现多种二维金属(包括Bi，Ga，In，Sn和Pb)。相关论文以题为“Realization of 2D metals at the ångström thickness limit”于2025年03月12日发表在Nature上。

Realization of 2D metals at the ångström thickness limit | Nature

被挤压至仅两个原子厚度的金属材料

科学家利用台式液压机制备出了超薄金属，这使得人们能够观察到由此产生的二维材料的迷人特性。

当金属被拉伸成只有一个或几个原子厚度的薄片时，由于一种名为量子限域的现象，其特性会发生巨大变化。这些特性具有潜在的应用价值，但这种二维金属很难在微米或更大尺寸上保持稳定，因为原子倾向于形成自然的三维排列，并且在空气中容易被氧化。赵等人在《自然》杂志上发表的文章称，他们使用台式液压机将金属挤压至原子厚度。这种简单的方法制备出了尺寸超过100微米且在空气中稳定的二维晶体，相比使用更昂贵复杂的技术，这是一个重大进步。

二维晶体的发现引发了人们对其极大的兴趣，这些晶体可以从范德华材料（如石墨）中分离出来，石墨由一堆原子层弱键合而成。从那以后，众多二维材料被制备出来，展现出了新奇的物理特性和技术潜力。

元素金属的二维形式也被认为具有引人注目的特性。例如，许多重金属，如铋和锡，被预测在二维形式下会成为拓扑绝缘体，也就是说，它们仅在表面或边缘导电。在拓扑绝缘体中通入电流可以在材料中产生局部磁化，这使得磁存储器和自旋电子器件等应用成为可能（在自旋电子器件中，信息通过电子的内禀角动量或自旋进行编码）。

二维金属中的原子还被预测会形成三维金属中不存在的原子排列，因此可能表现出铁电性等特性：自发极化的电场可以通过外加电场反转。

与范德华材料不同，金属元素通常没有易于剥离的层状结构。相反，二维金属通常是在真空室中通过将原子层喷涂到基底上制备的（例如参考文献6和7）。对这些材料的研究使得一些预测的二维现象得以观察到。但挑战在于，这些方法只能制备出纳米级的不规则二维晶体“岛”，尺寸太小，无法用于电子器件。基底还会与二维金属发生相互作用，阻碍对二维材料电子特性的准确观察和测量。

赵及其同事的方法解决了许多这类挑战。为了制备二维晶体，他们将熔融的金属元素样品在两个热板之间挤压，然后冷却至室温（图1）。这种简单的方法类似于工业铸造或模塑技术，但形成二维晶体的条件非常特殊：金属必须在覆盖有单层二硫化钼（MoS₂，一种范德华材料）的蓝宝石基底之间挤压。二硫化钼不仅提供了原子级光滑的成型表面，还能包裹生成的二维金属，防止其在空气中氧化。

图1：二维金属的制备过程

a. 赵等人将金属粉末在蓝宝石砧座上的二硫化钼层上熔化。b. 然后，他们将另一个涂有二硫化钼的热蓝宝石砧座压在熔融金属上，将其挤压至仅有几个原子的厚度。c. 经过数小时冷却至室温后，剥离顶部的蓝宝石砧座，底部砧座上留下二硫化钼包裹的二维金属。二硫化钼层使二维金属保持稳定，便于操作并测量其电子特性。（改编自参考文献1图1a）

通过这种方法，赵等人制备出了铋、镓、铟、锡和铅的二维晶体，厚度均低于纳米级。这些材料的尺寸、稳定性和厚度均匀性都优于此前报道的方法所制备的材料。令人印象深刻的是，由单个二维晶体构成的材料横向尺寸可以超过0.1毫米。

作者发现，具有保护作用的二硫化钼层使得二维金属能够在环境条件下进行进一步研究。赵等人成功地为二维铋建立了电连接，考虑到这种材料在未被其他材料包裹时对空气高度敏感，这是一项了不起的成就。因此，作者能够对二维铋进行电学测量，观察到强场效应（通过外加电场调制二维金属的电导率）和非线性霍尔效应，这两种效应在传统的三维金属中都不会出现。

赵等人并非首个在范德华材料层间生长薄晶体的团队。在过去一年里，有报道称在六方氮化硼层间生长出了单原子厚度的石墨烯纳米带，以及在二硫化钼薄片间生长出了几纳米厚的金纳米晶体。我所在的团队也曾通过在六方氮化硼层间挤压铋制备出超薄铋晶体，尽管我们制备的晶体最小厚度为5纳米。我们的方法与赵等人的关键区别在于，他们使用了覆盖二硫化钼的大尺寸（厘米级）蓝宝石，这对于制备原子级薄的金属可能至关重要。二维金属还可以通过将金属原子扩散（嵌入）到导电石墨烯层与基底之间的界面来制备。总体而言，赵等人的成果十分突出，因为他们的方法制备出了由半导体范德华材料保护的大规模、真正的二维金属。

关于范德华材料间二维晶体的生长机制以及如何改进这一过程，仍有许多问题有待解答。例如，赵等人制备的二维铋对应于一种金属形式（称为矩形（110）相），这种相被预测具有铁电性，但仅在有限条件下才是拓扑绝缘体。因此，找到能够促使六方（111）相形成和稳定的条件或范德华材料将是很有意义的，因为六方（111）相被预测为可以在室温下工作的拓扑绝缘体。在技术应用方面，需要面积更大、厚度更均匀的二维金属，这可能需要对挤压基底进行优化。最后，看看作者的方法是否能够用于制备更复杂的多元材料，也将是一件令人期待的事情。

与此同时，赵等人制备的二维金属还有许多值得期待之处。作者对二维铋的初步电学测量结果很有前景，这表明关于这种材料还有很多未知等待探索。对于研究中制备的其他二维金属的电子特性，我们了解得更少。这些材料的稳定性和大尺寸为它们与其他材料的集成以及制造新的电气或光子器件提供了诸多可能。