将材料厚度缩小到原子级薄的极限通常可以产生其块体材料无法实现的独特物理特性。到目前为止，已经实现了各种各样的二维材料，例如绝缘的六方氮化硼
(hBN)
、半导体
MoS
2
和半金属石墨烯。大多数这些二维材料仅限于范德华层状晶体，其中弱的层间相互作用有利于将其与块体分离，例如通过机械剥离。原子级厚度的二维金属是备受追捧的材料，它不仅可以将二维家族拓宽到二维范德华层状材料之外，还可以促进各种理论、实验和技术进步，例如新的量子光学效应、拓扑边缘态、超导性、金属铁电性、量子格里菲斯奇点、优越的非线性、高效催化和全金属晶体管。
与范德华层状材料不同，金属等非范德华材料具有高度对称性和强键合，因此它们的二维形式，特别是在原子薄极限下，极难实现。原则上，单层独立的金属原子在热力学上是不稳定的。为了稳定二维金属结构，需要环境限制。主要的技术路线包括通过分子束外延在某些材料（包括范德华晶体）表面生长二维金属岛以及将二维金属插层到二维范德华层状材料和
SiC
或
Ru
等基底之间的界面。在这两种情况下，所获得的二维金属通常具有纳米级分段岛状结构，表面不规则，或与基材紧密结合，从而阻碍了对其固有特性和技术应用的研究。此外，在表面上生长的二维金属在暴露于环境中时很容易被氧化。
中国科学院物理研究所张广宇研究员、杜罗军研究员等研究人员
展示了一种方便、通用的范德华挤压方法，用于通过两个刚性范德华砧在高压下生产
埃级厚度
的大规模二维金属。范德华挤压可以应用于各种二维金属晶体，包括
Bi
、
Ga
、
In
、
Sn
和
Pb
，这表明了它的普遍性。这些二维金属完全封装在两个
MoS
2
单层中，体积大、结晶性好、对环境稳定。以二维
Bi
晶体为例，详细研究了它们的原子结构以及光学和电子特性。观察到了新的声子模式、强烈增强的电导率、具有
p
型行为的显著场效应和大的非线性霍尔电导率。
相关研究成果2025年3月12日以“
Realization of 2D metals at the ångström thickness limit
”为题发表在
Nature
上。
开发范德华挤压方法
：通过使用两片覆盖有单层二硫化钼（
MoS
2
）的蓝宝石作为压砧，在高压下实现多种二维金属（如
Bi
、
Ga
、
In
、
Sn
和
Pb
）在埃级别厚度的稳定制备。这种方法能够将金属材料的厚度降低到原子级别，同时保持其晶体结构的完整性。
实现二维金属的稳定性和环境适应性
：所制备的二维金属被完全封装在两层
MoS
₂
之间，避免了与环境的直接接触，从而提高了其稳定性和环境适应性。
优异的物理性质
：以单层
Bi
为例，研究发现其具有新的声子模式、显著增强的电导率、显著的场效应以及大的非线性霍尔电导率等优异的物理性质。这些性质在传统的三维金属中是难以实现的。
层厚依赖性研究
：通过调整挤压压力，可以实现不同厚度的二维金属制备，并研究了其层厚依赖的物理性质，为进一步的材料设计和应用提供了基础。
图
1.
二维金属的范德华挤压过程
图
2.
单层
Bi
的原子结构
图
3.
单层
Bi
的电学特性
图
4.
与层相关的属性
这项研究通过使用两个相反的
ML-MoS
2
/
蓝宝石压砧，展示了一种简单、有效且通用的范德华挤压路线，可在原子薄极限下实现二维金属。在
Å
厚度极限下实现了各种二维金属，包括
Bi
、
Ga
、
In
、
Sn
和
Pb
。由于单层
MoS
2
的完全封装，所生产的二维金属对环境稳定且本征，这已由
Bi
、
Sn
、
Pb
样品证实。封装的单层
Bi
可以持续至少
1
年，如果某些应用需要暴露其表面，则这些二维金属不能轻易与
MoS
2
封装层分离。以二维
Bi
为例，展示了许多以前未知的新物理特性。这种范德华压缩技术也将为二维金属合金和其他各种二维非范德华化合物的实现提供有效的途径，为研究新兴的量子、电子和光子现象建立一个多功能的材料平台。
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