二维金属，Nature!
米测MeLab
2025-03-17
研究背景
自2004年单层石墨烯的发现以来，二维材料引领了凝聚态物理和材料科学领域的突破性进展，开创了二维材料研究的全新纪元。过去20年间，二维材料家族不断壮大，实验已获得的二维材料种类达数百种，理论预测更是接近2000种。然而，现有的二维材料主要局限于范德华层状体系，而二维金属作为备受瞩目的新兴材料，不仅有望突破这一局限，拓宽二维材料家族的边界，还可能催生诸多宏观量子现象，推动理论、实验和技术的发展。然而，受制于金属的强键合和高度对称性，二维金属的制备极具挑战性，尤其是在原子级极限下实现大面积、高质量的本征二维金属更是难上加难。针对这一挑战，松山湖材料实验室张广宇研究团队联合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，提出了一种原子级制造策略——范德华挤压技术，成功在埃米极限厚度下普适制备了多种二维金属，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）。这一方法利用高质量单层MoS2作为范德华压砧，在高压条件下挤压熔融金属，使其在单层MoS2夹层中稳定存在，从而突破二维金属制备的瓶颈。 该研究工作在“Nature”期刊上发表了题为“Realization of 2D metals at the ångström thickness limit”的最新论文。松山湖材料实验室博士生赵交交（已毕业）为论文第一作者，张广宇研究员与中国科学院物理研究所杜罗军特聘研究员为通讯作者。研究得到了杜世萱研究员、潘金波副研究员、李佩璇博士等的理论计算支持，并获得科技部重点研发计划、国家自然科学基金委、广东省基础与应用基础研究重大项目及中国科学院等资助。国际审稿人对该研究给予高度评价，认为该工作“开创了二维金属这一重要研究领域（opens an important research field on isolated 2D metals）”，并指出其“代表了二维材料研究领域的一项重大突破（represents a major advance in the study of 2D materials）”。这一突破性进展不仅为二维金属的制备提供了有效策略，也为未来新型量子器件的开发勾勒出美好的愿景。
研究亮点
(1) 实验首次提出范德华挤压技术，实现埃米极限二维金属的普适制备，成功制备了包括铋（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）在内的多种二维金属。(2) 实验通过高质量单层MoS2作为范德华压砧，对熔融金属进行挤压，实现了二维金属的原子级厚度控制（单层、双层、三层），克服了金属材料强键合和各向同性导致的制备难题。(3) 电学测试结果表明，单层铋展现出优异的金属性能，室温电导率达~9.0×10⁶ S/m，比块体铋高一个数量级，并且呈现出明显的P型电场效应，栅压调控电阻幅度达35%，远超传统块体金属（<1%）。(4) 范德华挤压制备的二维金属具有极高的环境稳定性，在超过一年的测试中无性能退化，同时上下均被单层MoS2封装，提供了研究二维金属本征特性的理想平台。
图文解读
本文通过多种表征手段对范德华挤压法制备的二维金属进行了深入研究，以揭示其结构特性和物理性质。首先，本文采用了光学显微镜（MM-400，尼康）对样品的宏观形貌进行了观察，成功地揭示了不同金属层在MoS2封装下的形态特征。通过对二维金属的表面进行原子力显微镜（AFM）成像，进一步验证了其厚度和表面平整性，证明了该方法能够在原子尺度上精确控制金属层的厚度，并确保了均匀性。拉曼光谱作为重要的表征手段，揭示了二维金属材料在不同厚度和封装条件下的特征峰位变化，通过拉曼谱的分析，成功确认了各金属元素与MoS2的相互作用以及其对晶格振动模式的影响，为理解金属的电子和结构特性提供了重要的依据。为了进一步探讨材料的微观结构，本文还采用了透射电子显微镜（TEM）进行选区电子衍射（SAED）测试，验证了二维金属的晶体结构以及其与MoS2的界面特征。通过高分辨率的高角度环形暗场扫描透射电子显微镜（HAADF-STEM）成像，本文成功捕捉到了原子级别的界面信息，揭示了MoS2对金属层的封装效果，以及金属原子在二维材料中的分布规律。这些微观表征结果揭示了金属与MoS2之间的强相互作用，以及金属在MoS2封装层内的稳定性，进一步解释了这些二维金属材料的环境稳定性和优异的性能。此外，本文还利用平面内X射线衍射（XRD）技术对样品的晶体结构进行了深入分析，确认了所制备的二维金属材料具有高度的结晶性，并通过比对XRD谱图与理论预测的衍射峰位，进一步验证了金属层的原子排列。XRD表征还揭示了金属层与MoS2之间的结合方式，为理解二维金属的机械和电子特性提供了关键的信息。在运输性质方面，本文通过低温运输测量系统，研究了二维金属材料的电导性和霍尔效应，进一步揭示了这些材料的量子效应和输运特性。非线性霍尔电导率的研究表明，二维金属在电场驱动下表现出非线性响应，证实了这些材料在量子电子学中的潜力。结合理论计算，本文通过密度泛函理论（DFT）计算模拟了金属与MoS2之间的相互作用，并预测了不同金属体系的电子结构变化，进一步支持了实验结果的合理性。
结论展望
总之，本文展示了一种简单、有效且普适的范德华挤压方法，通过使用两个相对的单层MoS2/蓝宝石砧，成功实现了在埃米极限厚度下的二维金属制备，包括铋（Bi）、镓（Ga）、铟（In）、锡（Sn）和铅（Pb）。由于完全被单层MoS2封装，这些制备出的二维金属具有优异的环境稳定性和本征特性，铋、锡、铅样品的实验结果证明了这一点。值得注意的是，封装的单层铋在我们的测试中至少能保持1年的稳定性。如果某些应用需要暴露其表面，这些二维金属不易从MoS2封装层中分离。以二维铋为例，我们展示了许多以前未知的新的物理特性。我们预见，这种范德华挤压技术还将为二维金属合金和其他多样化的二维非范德华化合物的实现提供有效途径，为研究新兴的量子、电子和光子现象提供了一个多功能的材料平台。Zhao, J., Li, L., Li, P. et al. Realization of 2D metals at the ångström thickness limit. Nature 639, 354–359 (2025). https://doi.org/10.1038/s41586-025-08711-x
