范德华挤压技术实现二维金属的普适制备 | 进展

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。在过去20年中，二维材料家族迅速扩大，目前实验可获得的二维材料达数百种，理论预测的更是近 2000 种。然而，这些二维材料基本上局限在范德华层状材料体系。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范德华层状材料体系，拓宽二维材料家族，还有望演生出各种宏观量子现象，促进理论、实验和技术的进步。但不同于范德华层状材料，金属是高度对称的非范德华材料，各向同性且强的金属键导致二维金属的制备极具挑战。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。

针对挑战，最近中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心N07课题组提出了原子级制造的范德华挤压技术，通过将金属熔化并利用团队前期制备的高质量单层MoS2范德华压砧挤压，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)。范德华挤压制备的二维金属上下均被单层MoS2所封装，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。电学测量表明，单层铋的电导率随着温度的降低近线性增加，表现出经典金属行为，室温电导率可达~9.0×106 S/m，比块体铋的室温电导率（~7.8×105 S/m）高一个数量级以上。并且，单层铋展现出明显的P型电场效应，其电阻可被栅电压调控达35%（块体金属通常小于1%），为低功耗全金属晶体管和高频器件阐明了可能。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新奇层赝自旋特性提供了的可能。

图1.范德华挤压技术普适制备埃米极限厚度二维金属

这一工作是原子级制造的一个成功案例。国际审稿人一致给予该工作极高评价：“开创了二维金属这一重要研究领域(opens an important research field on isolated 2D metals)；“代表二维材料研究领域的一个重大进展(represents a major advance in the study of 2D materials)”。本工作发展的范德华挤压技术为二维金属、合金和其他二维非范德华材料开辟了有效原子级制造方案，有望为各种新兴的量子、电子和光子器件勾勒出美好的愿景。

相关研究成果以“Realization of 2D metals at the ångström thickness limit”为题发表在Nature。中国科学院物理研究所N07课题组赵交交博士（已毕业）为该论文的第一作者，杜罗军特聘研究员和张广宇研究员为该论文的通讯作者。本研究工作获得来自中国科学院物理研究所杜世萱研究员，潘金波副研究员和李佩璇博士等的合作和理论计算支持。得到了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和中国科学院等科研项目的资助支持。

编辑：姬子隰

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