中国科研团队实现金属“重塑金身”，开启二维金属新纪元，原子极限厚度二维金属诞生，有望推动人类文明新发展

本文围绕中国科学院物理研究所科研团队在给材料“重塑金身”领域的重要突破展开。详细介绍了团队成功实现大面积二维金属材料制备的过程、二维金属的特性，以及该成果在推动理论、实验和技术进步，引领人类文明发展等方面的重要意义。

在中国的神话传说里，哪吒“以莲藕重塑肉身”；在佛教故事中，也有给佛像“重塑金身”的说法，这些传说和故事广为流传，而其中的关键之处就在于材料的选择。在现实世界中，科学家们同样执着于对材料进行“重塑金身”的探索研究，他们期望通过这样的研究引领材料创新产业的革命。

近期，中国科学院物理研究所的科研团队在这一领域取得了重大突破。他们成功地为金属“重塑金身”，制备出了厚度仅为一张普通A4纸百万分之一的单原子层金属。这一重要成果的论文以“埃米厚度极限二维金属的实现”（1埃米 = 100亿分之一米）为题，于北京时间3月13日凌晨在国际知名学术期刊《自然》上线发表。审稿人高度评价该成果，认为其“开创了二维金属这一重要研究领域”“代表二维材料研究领域的一个重大进展”，这也被誉为给金属打上了“中国标签”。

首次实现大面积二维金属材料制备

论文共同通讯作者、中国科学院物理研究所的张广宇研究员介绍，近一个世纪以来，二维材料一直被普遍认为是不存在的。然而，自2004年单层石墨烯被发现（该研究于2010年获得诺贝尔物理学奖）后，二维材料极大地颠覆了人类对材料的原有认知，引领了凝聚态物理、材料科学等领域的一系列突破性进展，开创了基础研究和技术创新的二维新纪元。

在过去的20年里，二维材料家族迅速扩大。目前，实验可获得的二维材料已达数百种，理论预测更是接近2000种。不过，这些二维材料大多局限在层状材料体系。层状材料的三维母体原子层通过弱的范德华力相连，可以通过机械剥离等方式获得二维单层。但纵观整个材料数据库，层状材料的占比非常小，超过97.5%的是非层状材料，像我们生活中随处可见的金属就是典型的非层状材料。

与层状材料（类似千层饼结构，很容易剥出完美一层）不同，金属中每个原子在任意方向都和周围原子有强的金属键相互作用（类似压缩饼干）。所以，要将金属重塑为原子极限厚度的二维金属，就如同从压缩饼干中剥出像千层饼那样完整的一层，极具挑战性。

科研团队指出，二维材料可分为二维层状材料和二维非层状材料。以往的研究虽然发现了很多二维材料，但基本都局限在二维层状材料。而金属属于非层状材料，此次研究在原子极限厚度下实现二维金属，超越了当前二维层状材料体系，填补了二维材料家族的一大块拼图。

尽管过去在实验中观察到一些非常薄的金属材料，但它们的横向尺寸面积很小，一般小于100纳米。从纳米材料的定义来看，这些材料应该算作零维（而不是二维）材料。此外，以前制备的薄层金属和衬底有非常强的化学键相互作用，不能算严格意义上的本征二维金属。

本次研究首次实现了大面积二维金属材料的制备，同时也是首次实现了环境稳定的二维金属。以前小尺寸的薄层金属非常不稳定，而这次制备的二维金属经过测试显示，在一年的时间里没有任何性能退化。

二维金属厚度仅A4纸百万分之一

在这项研究中，面对如何获得二维金属的挑战，张广宇带领团队发展了原子级制造的范德华挤压技术。他们通过将金属熔化，并利用团队前期制备的高质量单层二硫化钼范德华压砧进行挤压，实现了原子极限厚度下各种二维金属的普适制备，包括铋、锡、铅、铟和镓。

范德华挤压技术普适制备埃米极限厚度二维金属的示意图。中国科学院物理研究所 供图

这些二维金属的厚度仅仅是一张A4纸的百万分之一，也就是一根头发丝直径的20万分之一。张广宇形象地阐释说：“如果把一块边长3米的金属块压成单原子层厚，将可以铺满整个北京市的地面。”

范德华挤压制备的二维金属上下均被单层二硫化钼所封装，具有非常好的环境稳定性（在超1年的实验测试中无性能退化）和非成键的界面，有利于器件制备以探测二维金属的本征特性。

电学测量表明，单层铋的室温电导率比块体铋的室温电导率高一个数量级以上。同时，单层铋展现出明显的P型电场效应，其电阻可被栅压调控达35%（块体金属通常小于1%），这为低功耗全金属晶体管和高频器件提供了新思路。此外，范德华挤压技术还能以原子精度控制二维金属的厚度（即单层、双层或三层），为揭示以前难以企及的层依赖特性提供了可能。

有望推动人类文明下一阶段的发展

论文共同通讯作者、中国科学院物理研究所特聘研究员杜罗军指出，此次原子极限厚度二维金属的实现，不仅超越了当前二维范德华层状材料体系，补充了二维材料家族的一大块拼图，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。例如，二维金属既为材料理论研究提供了一个理想的量子受限模型体系，也是实验探索量子霍尔效应、二维超流／超导、拓扑相变等的绝佳载体。

张广宇认为，就像三维金属引领了人类文明的铜器、青铜和铁器时代，原子极限厚度的二维金属有望推动下一阶段人类文明的发展，带来超微型低功耗晶体管、高频器件、透明/柔性显示、超灵敏探测、极致高效催化等众多领域的技术革新与应用。

此外，范德华挤压技术为二维金属合金、非晶和其他二维非层状材料也开辟了有效原子级制造方案，为各种新兴的量子、电子和光子器件应用勾勒出美好愿景。

对于本次研究多次提及的专业术语范德华挤压，科研团队进行了科普。它和通俗理解的两个平面对顶挤压类似，只是采用的压砧为原子级平整且无悬挂键的范德华材料，这是实现二维金属的核心技巧之一。人们通常理解的平面，如玻璃、金刚石等，虽然看起来很平，但在原子尺度上是很粗糙的，要制备二维金属，必须使用原子级平整的材料来进行挤压。

同时，从目前实现的结果来看，范德华挤压能够通过调控参数原子级精准地控制二维金属的厚度，实现单层、双层、三层，可以算作原子级制造。

本文介绍了中国科学院物理研究所科研团队成功为金属“重塑金身”，制备出原子极限厚度二维金属的重要成果。该成果不仅填补了二维材料家族的空白，还在二维金属的制备、特性等方面取得诸多突破。此外，它有望推动理论、实验和技术进步，带来众多领域的技术革新，为人类文明的发展提供新动力。