自2004年單層石墨烯發(fā)現(xiàn)以來，二維材料引領了凝聚態(tài)物理、材料科學等領域的系列突破性進展，并開創(chuàng)了基礎研究和技術創(chuàng)新的二維新紀元。在過去20年中，二維材料家族迅速擴大，目前實驗可獲得的二維材料達數(shù)百種，理論預測的更是近2000種。然而，這些二維材料基本上局限在范德華層狀材料體系。原子薄極限的二維金屬是近年來孜孜以求的新興二維材料，它的實現(xiàn)不僅可以超越當前二維范德華層狀材料體系，拓寬二維材料家族，還有望衍生出各種宏觀量子現(xiàn)象，促進理論、實驗和技術的進步。但不同于范德華層狀材料，金屬是高度對稱的非范德華材料，各向同性且強的金屬鍵導致二維金屬的制備極具挑戰(zhàn)。在過去幾年中，人們?yōu)閷崿F(xiàn)二維金屬進行了大量努力，但未能在原子薄極限下實現(xiàn)大尺寸和本征的二維金屬。
針對挑戰(zhàn)，最近由張廣宇研究員領導的中國科學院物理研究所與松山湖材料實驗室聯(lián)合研究團隊提出了原子級制造的范德華擠壓技術，通過將金屬熔化并利用團隊前期制備的高質(zhì)量單層MoS2范德華壓砧擠壓，實現(xiàn)了埃米極限厚度下各種二維金屬的普適制備，包括鉍 (Bi, 6.3??)、錫 (Sn, 5.8??)、鉛 (Pb, 7.5??)、銦 (In, 8.4??) 和鎵 (Ga, 9.2 ?)。范德華擠壓制備的二維金屬上下均被單層MoS2所封裝，因此具有非常好的環(huán)境穩(wěn)定性（在超1年的測試中無性能退化）和非成鍵的界面，有利于通過器件制備來探索二維金屬的本征特性。電學測量表明，單層鉍的電導率隨著溫度的降低近線性增加，表現(xiàn)出經(jīng)典金屬行為，室溫電導率可達~9.0×106 S/m，比塊體鉍的室溫電導率（~7.8×105 S/m）高一個數(shù)量級以上。并且，單層鉍展現(xiàn)出明顯的P型電場效應，其電阻可被柵電壓調(diào)控達35%（塊體金屬通常小于1%），為低功耗全金屬晶體管和高頻器件的制備闡明了可行性。此外，范德華擠壓技術還能以原子精度控制二維金屬的厚度（即單層、雙層或三層），為揭示以前難以企及的新奇層贗自旋特性提供了可能。
▲范德華擠壓技術普適制備埃米極限厚度二維金屬
這一工作是原子級制造的一個成功案例。國際審稿人一致給予該工作極高評價：“開創(chuàng)了二維金屬這一重要研究領域opens an important research field on isolated 2D metals” ；“代表二維材料研究領域的一個重大進展represents a major advance in the study of 2D materials”。本工作發(fā)展的范德華擠壓技術為二維金屬、合金和其他二維非范德華材料開辟了有效原子級制造方案，有望為各種新興的量子、電子和光子器件勾勒出美好的愿景。
相關研究成果以“Realization of 2D metals at the ?ngstr?m thickness limit”為題發(fā)表在Nature。中國科學院物理研究所N07組與松山湖材料實驗室二維材料團隊聯(lián)合培養(yǎng)的博士生趙交交（已畢業(yè)）為該論文的第一作者，中國科學院物理研究所/松山湖材料實驗室張廣宇研究員和中國科學院物理研究所杜羅軍特聘研究員為該論文的通訊作者。本研究工作獲得來自中國科學院物理研究所杜世萱研究員，潘金波副研究員和李佩璇博士等的合作和理論計算支持，并得到了科技部重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金委、廣東省基礎與應用基礎研究重大項目和中國科學院等科研項目的資助支持。
▲張廣宇研究員和第一作者趙交交就實驗數(shù)據(jù)進行討論
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