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极限操作！中科院物理所今日Nature：金属被压缩至两个原子厚度！

微算云平台 · 公众号 · · 2025-03-13 07:16

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二维金属是许多新兴现象的研究热点，近年来引起了人们的广泛关注。

与广泛研究的二维范德华（ vdW ）层状材料不同，二维金属的制备极具挑战性，因为它们在热力学上是不稳定的。

在此，来自 中国科学院物理研究所&中国科学院大学 的 杜罗军 以及 中国科学院物理研究所、中国科学院大学和松山湖材料实验室 的 张广宇 等研究者开发了一种 vdW 挤压方法 ，在 埃量级 厚度极限下实现多种二维金属 ( 包括 Bi ，Ga ，In ，Sn和Pb )。相关论文以题为“ Realization of 2D metals at the ångström thickness limit ”于 2025年03月12 日发表在 Nature 上。

将材料的厚度缩减至原子级极限，通常能够赋予其独特的物理性质，而这些特性在块体材料中难以实现。

近年来，二维材料领域的突破正是这一现象的有力见证。

迄今为止，人们已经成功制备出多种二维材料，例如绝缘体六方氮化硼（ hBN ）、半导体二硫化钼（ MoS₂ ）以及半金属石墨烯（ graphene ）。

目前，大多数已知的二维材料主要局限于范德华（ vdW ）层状晶体，这类材料的层间相互作用较弱，因此可以通过机械剥离等方式从块体材料中分离出来。

相比之下，原子级超薄的二维金属材料备受关注，因为它们不仅能拓展二维材料家族的范畴，突破传统 vdW 层状体系的限制，还能推动理论研究、实验探索和技术应用的进步。

例如，二维金属可能带来新的量子光学效应、拓扑边缘态、超导性、金属铁电性、量子格里菲斯奇异性（ Quantum Griffiths Singularity ）、优异的非线性效应、高效催化性能以及全金属晶体管等前沿研究方向。

然而，与范德华层状材料不同，非 vdW 材料（如金属）通常具有高度对称的结构，并且原子间结合力极强，因此很难在原子级极限上实现其二维形态。

理论上，自由悬挂的单层金属原子在热力学上是不稳定的，因此需要借助环境约束来稳定其二维结构。

目前的主要技术手段包括：利用分子束外延（ MBE ）在某些材料（包括 vdW 晶体）表面生长二维金属岛，或者通过插层（ Intercalation ）技术将二维金属嵌入到 vdW 层状材料与基底（如 SiC 或 Ru ）之间的界面。

然而，这些方法获得的二维金属通常呈现纳米级的分段岛状结构，表面不规则，或与基底形成强相互作用，从而难以研究其本征性质，同时也限制了其在技术上的应用。

此外，暴露在环境中生长于表面的二维金属容易被氧化，进一步加剧了其稳定性问题。

值得注意的是，传统的热压（ Hot-Pressing ）方法提供了一种简便的制备金属薄膜的途径。该方法通过在高温下对块体金属（固态或液态）进行压缩，以降低其厚度。

然而，已有研究表明，热压法制备的金属薄膜最小厚度仍在几纳米量级，远未达到原子级极限。

在本文中，研究者提出了一种简单、高效且 具有通用性 的 “ 范德华挤压（ vdW Squeezing ） ” 方法 ，利用两块刚性 vdW 砧（ Anvils ）在高压条件下对金属进行挤压，从而 制备出大面积 、 厚度达埃 （ Ångström ） 量级的二维金属 。

实验结果表明，该方法适用于多种二维金属晶体，包括 Bi （铋）、 Ga （镓）、 In （铟）、 Sn （锡）和 Pb （铅），展现出极强的普适性。

此外，这些所获得的二维金属通过两个

极限操作！中科院物理所今日Nature：金属被压缩至两个原子厚度！

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