光刻机不香了？中国造“原子金属”，比头发丝细20万倍！

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难以置信吗？一种仅由单层原子构成的“金属薄膜”，正悄然为全球半导体产业点燃一场颠覆性变革的火种！

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长久以来，人们普遍认为，若无法掌握顶尖光刻设备，高端芯片的研发便无从谈起。

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然而，中国科学院物理研究所张广宇领衔的科研团队，并未沿着传统路径艰难跋涉，而是另辟蹊径——将金属制备成原子尺度的超薄结构，且在开放空气中稳定存放超过一年，性能始终如一。

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尤为关键的是，这项突破为“芯片尺寸不断微缩”的技术困局提供了全新解法，标志着我国在关键材料领域迈出换道超越的关键一步。

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或许有人质疑：不就是把金属做得更薄一些吗？有何稀奇之处？

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这里需要普及一个科学共识：过去二十年间，二维材料始终是前沿研究热点。例如石墨烯，正是通过剥离石墨获得单层碳原子结构，从而展现出卓越的导电与导热特性。

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但金属却截然不同。尽管金属元素占据元素周期表近八成席位，却长期被排除在二维材料体系之外。

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根本原因在于，金属原子间的结合极为紧密，缺乏可供剥离的层间弱作用力，全球科研人员历经数十年探索，普遍断言“稳定的二维金属难以实现”。

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而张广宇团队，偏偏选择直面这一“科学禁区”。

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他们并未效仿常规思路，试图通过机械剥离或化学腐蚀等方式强行减薄金属，而是采用一种极具创意的方法：从根本上阻止金属向上生长。

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研究人员首先制备出原子级平整的单层二硫化钼，作为特殊的“基底平台”，即学术界所称的“范德华限域模板”。

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随后，利用该平台对熔融态金属施加约束，如同为植物搭建只能横向延展的支架，迫使金属原子无法堆叠，只能在二维空间内均匀铺展成单原子层。

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最终，团队不仅成功合成出稳定的单原子厚金属薄膜，还巧妙借助二硫化钼将其上下完全封装，形成天然保护屏障，这正是其实现长期稳定的核心机制。

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更令人赞叹的是，团队自主改造的实验装置成本仅数万元，却实现了百万元级精密设备才能达到的技术效果，为未来规模化生产奠定了低成本基础。

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2025年3月13日，这一里程碑式成果以研究论文形式发表于国际顶级学术期刊《自然》（Nature）。

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此次实验中，团队一次性实现了铋、锡、铅、铟、镓五种金属的单原子层制备，厚度均达到埃米级别——相当于人类头发丝直径的二十分之一万。

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更重要的是，他们彻底攻克了国际学界多年未能解决的关键难题：环境稳定性。

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实验证明，这些二维金属在普通空气环境中存放逾一年，导电性能未出现任何衰减；

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相较之下，此前国外同类尝试所获样品，要么尺寸过小不具备应用价值，要么暴露于空气中迅速氧化失效。

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至2025年底，该项成果荣获英国《物理世界》（Physics World）评选的年度十大物理学突破，成为当年唯一入选的中国主导研究成果。

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这意味着，在二维材料的原子级制造赛道上，中国已稳居全球领先地位。

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为何这张“金属纸”有望重塑芯片行业格局？奥秘深藏于电子传输行为之中。

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通俗来说：传统金属内部的电子运动如同集市中随意穿行的人流，频繁碰撞导致能量损耗，这正是现有芯片发热严重、功耗居高的根源所在。

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而在单原子层金属中，电子流动宛如列队行进的士兵，沿特定通道有序前行，彼此干扰极小。

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这种高度规整的输运模式极大提升了导电效率，同时显著抑制热量产生。

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实际测试数据极具说服力：常温下单层铋的导电能力较块体状态提升十倍以上。

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其电阻值还可通过外加电压实现大范围调控，调节幅度高达35%，这一性能在传统金属中几乎不可想象——后者通常连1%的调制能力都难以企及。

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反观当前芯片产业，各大厂商持续追逐制程微缩，从7纳米推进至3纳米，甚至向1纳米发起冲击，却已逼近物理极限的坚硬壁垒。

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当器件尺寸缩小到极致时，量子隧穿效应愈发显著，电子失控泄漏，造成严重的漏电流问题，使得功耗控制陷入僵局。

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单原子层金属的诞生，恰恰打破了这一恶性循环。

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其本身即为原子级厚度，天然解决了栅极与沟道之间的距离难题，只需搭配高性能介电材料，便可实现对电子行为的精准掌控。

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未来的集成电路或将实现性能不降反升的同时，功耗大幅降低——手机续航翻倍、笔记本电脑彻底告别风扇散热，这些场景正逐步走向现实。

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除芯片外，这种“金属纸”在显示技术领域同样前景广阔。目前折叠屏设备所用透明电极多依赖氧化铟锡，价格高昂且脆性明显，亟需新型强韧导电材料替代。

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而单原子层金属兼具超薄、柔韧与高导电性，有望成为下一代柔性显示屏的理想候选材料，推动可穿戴设备与折叠终端迈入新阶段。

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能源科技领域也早已关注这一突破。高效的电子传输意味着更低的能量损失，将其应用于电池电极或超级电容器，有望显著加快充电速度并提升储能密度。

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更有专家预测，该材料具备实现单分子级别检测的潜力，可用于开发超高灵敏度生物传感器与气体探测器，甚至成为研究量子霍尔效应、二维超导等前沿量子现象的理想平台。

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当然，从实验室走向千家万户，仍需跨越两道关键门槛。

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其一是长期服役稳定性，其二是可扩展化量产能力。

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诚然，在实验室环境下制备微小样品已获成功，但在工业产线上实现大批量、一致性制造，则对工艺精度提出极端要求。

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虽然目前材料在常规空气中可稳定存在一年以上，但真实使用环境远比受控实验室复杂得多，高温、湿气、污染物等因素仍可能影响寿命。

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当前学术界正积极寻求增强策略，包括表面包覆防护层、元素掺杂提升抗氧化性等方案，但这些技术尚处于初步探索阶段，尚未成熟。

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但这本就是材料革命的常态。

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以石墨烯为例，自2004年首次分离成功至今，其大规模商用仍主要集中于导热膜与部分传感领域；

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而硅材料从发现到广泛用于电子工业，更是经历了长达数十年的技术沉淀。

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因此，单原子层金属的产业化进程，大概率也需要经历类似的“厚积薄发”过程。

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值得庆幸的是，国家层面已全面启动布局，二维材料已被列为战略性重点支持方向。

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以上海为例，国内首条二维半导体工程化示范工艺线已经投入运行，配套设立专项产业基金，并提供税收减免政策，旨在打造具有全球影响力的先进材料产业集群。

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这一系列举措背后，折射出我国科技发展战略的重大转向。

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过去我们聚焦于光刻机等“卡脖子”装备，以为只要突破硬件瓶颈就能迎刃而解；如今越来越清晰地认识到，真正的技术主动权，根植于底层材料创新与基础科学研究之中。

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正如工信部副部长熊继军所言，原子级制造是培育新质生产力的战略支点。

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当他人在既定技术轨道上设障封锁时，我们无需执意硬闯，而是可以主动开辟全新赛道，这才是最具智慧与力量的突围方式。

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这种“换道领先”的战略思维，一脉相承。

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从钱学森先生用简易计算工具推演出导弹轨迹的坚韧，到今日中国科学家在原子尺度重构物质世界的执着，我们在无数被认为“不可能”的领域默默耕耘，终见曙光。

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单原子层金属或许不会立刻取代硅基芯片，但它确实开启了一扇通往超越现有技术框架的大门，让我们窥见一个截然不同的科技图景。

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如今，这一前沿领域已深深打上“中国创造”的印记，而前方还有上万种潜在二维金属等待发掘。

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科技竞争的终极战场，从来不是参数表格上的数字较量，而是孕育原创思想的基础研究沃土中的“种子培育”。

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中国科学家已经播下了这颗可能改变世界的“材料种子”，它的成长与绽放，值得每一位国人翘首以盼。

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参考文献：1.中科院之声：《科学家给金属“重塑金身” | 科技前线》2025-03-13 2.新华网：《我国在三维世界造出二维金属材料！新金属厚度为头发丝二十万分之一》2025-03-13 3.新华网：《我国“首例二维金属制备”入选年度科学突破》2025-12-19 4.金台资讯：《“上海方案”开辟芯片竞争新赛道》2025-07-12

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