中科院物理所最新Nature：“挤”出单层二维金属材料！

一、【科学背景】

自2004年单层石墨烯发现以来，二维材料引领了凝聚态物理、材料科学等领域的系列突破性进展，并开创了基础研究和技术创新的二维新纪元。到目前为止，已经实现了各种各样的二维材料，例如绝缘六方氮化硼（hBN）、半导体MoS₂和半金属石墨烯。然而，这些二维材料基本上局限在vdW层状材料体系。原子薄极限的二维金属是近年来孜孜以求的新兴二维材料，它的实现不仅可以超越当前二维vdW层状材料体系，拓宽二维材料家族，还有望衍生出各种宏观量子现象，促进理论、实验和技术的进步。与vdW层状材料不同，金属等非vdW层状材料具有高度对称性和强结合性，因此它们的二维形式，特别是在原子薄极限下，极难实现。在过去几年中，人们为实现二维金属进行了大量努力，但未能在原子薄极限下实现大尺寸和本征的二维金属。

二、【创新成果】

为解决以上难题，中国科学院物理研究所张广宇研究员、杜罗军研究员等人在Nature上发表了题为“Realization of 2D metals at the ångström thickness limit”的论文，展示了一种方便、通用的vdW挤压方法，实现了埃米极限厚度下各种二维金属的普适制备，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）。所获得的二维金属通过两个MoS₂单层之间的完全封装和存在的非键合界面而稳定，因此具有非常好的环境稳定性（在超1年的测试中无性能退化）和非成键的界面，有利于器件制备以探索二维金属的本征特性。单层铋的传输和拉曼测量显示了优异的物理性能，例如新的声子模式、增强的电导率、显著的场效应和大的非线性霍尔电导率。本研究为实现二维金属、合金和其他二维非vdW材料开创了一条有效的路径，为新兴的量子、电子和光子器件的广泛组合勾勒出光明的前景。

图1  二维金属的vdW挤压工艺流程 © 2025 Springer Nature

图2  单层铋的原子结构 © 2025 Springer Nature

图3  单层铋的电学性质 © 2025 Springer Nature

图4  铋金属层数依赖的性质 © 2025 Springer Nature

三、【科学启迪】

综上，本研究通过使用两个相对的ML-MoS₂/蓝宝石砧，展示了一种简单、有效和通用的vdW挤压工艺，可以在原子薄极限下压缩二维金属。各种二维金属，包括铋、镓、铟、锡和铅，在埃米厚度限制下实现。正如Bi、Sn、Pb样品所证实的那样，由于单层MoS₂的完全封装，所生产的二维金属在环境上是稳定的和本征的。值得注意的是，在测试实验中，封装的单层Bi可以稳定存在至少1年。如果某些应用需要暴露其表面，这些二维金属很难与MoS₂封装层分离。以二维金属铋为例，研究人员展示了许多以前未知的新物理性质。研究人员预计，这种vdW挤压技术也将为实现二维金属合金和其他各种二维非vdW材料提供一条有效的途径，为研究新兴的量子、电子和光子现象建立一个通用的材料平台。

原文详情：Realization of 2D metals at the ångström thickness limit （Nature 2025, 639, 354-359）

本文由大兵哥供稿。