二維材料的概念伴隨著2004年單層石墨烯的發(fā)現(xiàn)而被提出，它的許多新奇特性極大顛覆了人類對(duì)材料的認(rèn)知，引領(lǐng)了凝聚態(tài)物理、材料科學(xué)等領(lǐng)域的發(fā)展。過去20年里，二維材料家族迅速擴(kuò)大，目前實(shí)驗(yàn)可獲得的二維材料達(dá)數(shù)百種，理論預(yù)測(cè)有近2000種。然而，由占據(jù)元素周期表大半江山的金屬構(gòu)成的二維材料在這一家族中卻一直缺席。

原子極限厚度的二維金屬有著廣闊的應(yīng)用前景，將為超微型低功耗晶體管、高頻器件、柔性透明顯示、超靈敏探測(cè)、極致高效催化等領(lǐng)域帶來技術(shù)革新。

“石墨烯是由單層碳原子組成的。理論上，把金屬做成單原子層厚度時(shí)，它就成了二維金屬。”張廣宇告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》。然而，盡管過去實(shí)驗(yàn)中觀察到了一些非常薄的材料，但由于尺寸太小且與襯底有很強(qiáng)的化學(xué)鍵相互作用，它們并非真正的二維金屬。

2016年前后，張廣宇有了研究二維金屬的想法，但當(dāng)時(shí)國(guó)際上還沒有成功的經(jīng)驗(yàn)。擺在科學(xué)家面前的有兩大難題——制備方法和材料樣品。

已有二維材料是層狀結(jié)構(gòu)的，像千層餅一樣，可以一張張被“撕開”，通過剝離等方式獲得二維單層。而金屬就像一塊緊實(shí)的“壓縮餅干”，每個(gè)原子在任意方向均和周圍原子存在強(qiáng)金屬鍵相互作用，無法自然分層。

“要想獲得原子極限厚度的二維金屬，就好比從壓縮餅干中剝出千層餅?zāi)菢油暾囊粚樱瑯O具挑戰(zhàn)性。”張廣宇說。

鍛鋼、打金箔等工藝給研究團(tuán)隊(duì)帶來了靈感。

有“中華一絕”之稱的南京金箔鍛制技藝，通過數(shù)萬(wàn)次錘打?qū)⒔饓K變成薄如蟬翼的100納米厚的薄金箔。但這與達(dá)到單原子層厚度極限——小于1納米還有很大距離。要達(dá)到極限，關(guān)鍵在于樣品的襯底要有原子級(jí)平整的表面，還要在施壓中克服材料各方向的力。

過去20年，張廣宇團(tuán)隊(duì)始終專注二維材料的制備和物性研究。2018年以來，團(tuán)隊(duì)在藍(lán)寶石襯底上外延制備高質(zhì)量連續(xù)單層二硫化鉬晶圓方面取得了一系列重要進(jìn)展，2024年，他們?cè)趩螌佣蚧f單晶晶圓和8英寸晶圓外延技術(shù)上取得突破。二硫化鉬正是原子級(jí)光滑平整的二維半導(dǎo)體，可為二維金屬的制備提供理想的范德華壓砧。

為什么一定要平整？張廣宇解釋說，像壓面團(tuán)一樣，假如按壓模具上全是刺，面團(tuán)壓出來一定不平，無法達(dá)到“超薄”，而襯底就相當(dāng)于模具。

由于該實(shí)驗(yàn)鮮少有團(tuán)隊(duì)做過，且工廠設(shè)備價(jià)格昂貴，張廣宇團(tuán)隊(duì)決定改造實(shí)驗(yàn)設(shè)備，僅用幾萬(wàn)元就達(dá)到了百萬(wàn)元設(shè)備的效果。

最終，經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間摸索，他們得到了鉍、錫、鉛、銦、鎵等的單原子層金屬。這些二維金屬的厚度僅僅是一張A4紙的百萬(wàn)分之一、一根頭發(fā)絲直徑的二十萬(wàn)分之一。

該范德華擠壓技術(shù)為二維金屬合金、非晶和其他二維非層狀材料提供了有效的原子級(jí)制造方案，為各種新興的量子、電子和光子器件應(yīng)用提供了新的技術(shù)手段。

通過超一年的材料特性測(cè)試，研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)這些二維金屬具有非常好的環(huán)境穩(wěn)定性，將有利于器件制備以探測(cè)二維金屬的本征特性。此外，單層鉍的室溫電導(dǎo)率可達(dá)~9.0×10⁶S/m，比塊體鉍高一個(gè)數(shù)量級(jí)以上，電阻可被柵壓調(diào)控達(dá)35%，為制備低功耗全金屬晶體管和高頻器件提供了新思路。

“原子極限厚度的二維金屬不僅超越了當(dāng)前二維層狀材料體系，還有望衍生出各種宏觀量子現(xiàn)象，促進(jìn)理論、實(shí)驗(yàn)和技術(shù)的進(jìn)步。例如，二維金屬不僅為理論研究提供了一個(gè)理想的量子受限模型體系，而且是實(shí)驗(yàn)探索量子霍爾效應(yīng)、二維超流或超導(dǎo)、拓?fù)湎嘧兊鹊慕^佳載體。”論文共同通訊作者、中國(guó)科學(xué)院物理研究所特聘研究員杜羅軍說。

“在二維材料領(lǐng)域，石墨烯是英國(guó)人做出來的，其他成果也基本被歐美搶先。之前沒有人做過二維金屬，現(xiàn)在中國(guó)科學(xué)家做出來了，未來二維金屬領(lǐng)域就會(huì)貼上‘中國(guó)標(biāo)簽’。”張廣宇說。