第一作者：
Jiaojiao Zhao
通讯作者：
Guangyu Zhang、Luojun Du
通讯单位：中国科学院物理研究所
论文doi：
https://doi.org/10.1038/s41586-025-08711-x
二维材料因其独特的物理性质（如量子限域效应、高表面积等）成为材料科学的研究热点。传统二维材料（如石墨烯、MoS
₂
等）多为范德华（vdW）层状结构，其层间弱相互作用使得机械剥离成为可能。然而，非vdW材料（如金属）因其高对称性和强原子键合特性，在二维极限下的制备极具挑战性。金属单原子层因热力学不稳定性难以独立存在，现有技术（如分子束外延或插层法）制备的二维金属多为纳米级岛状结构，或与基底强耦合，无法展现本征性质。此外，这些金属暴露于环境时易氧化，限制了实际应用。传统热压法虽能制备纳米级金属薄膜，但厚度远未达到原子级（通常为几纳米）。本文提出一种新型范德华挤压法（vdW squeezing），通过高压下双刚性vdW砧板（覆盖单层MoS
₂
的蓝宝石）挤压液态金属，成功制备出埃级厚度（如Bi单层厚度6.3 Å）的大尺寸二维金属，并实现其完全封装保护，为研究二维金属的本征性质及器件应用奠定了基础。
1.
突破性制备方法
：提出范德华挤压法，实现Bi、Ga、In、Sn、Pb等多种二维金属的埃级厚度制备，单层尺寸超100 μm，远超传统技术
。
2.
优异物理性质
：单层Bi展现出增强电导率（室温9.0×10
⁶
S/m）、显著场效应（35%电导调制）和超大非线性霍尔电导率（0.22 μS/V），为新型量子器件提供材料基础。
3.
普适性与稳定性
：方法适用于多种金属，MoS
₂
封装确保二维金属环境稳定（单层Bi可保存1年），并揭示层数依赖的声子模式演化规律。
1、
实验流程
如图1a所示。双砧板在高压（<200 MPa）下缓慢挤压液态金属，冷却至室温形成埃级厚度的二维金属。利用MoS
₂
与蓝宝石的弱vdW作用，剥离后获得MoS
₂
全封装的二维金属。砧板采用高杨氏模量的蓝宝石（430 GPa）和单层MoS
₂
（300 GPa），确保均匀性与抗压性。
2、单层Bi光学图像（图1b）显示尺寸超100 μm，远超文献报道的纳米级（1-10 μm）。其他金属（Ga、In、Sn、Pb）均实现大尺寸制备（图1c），AFM测得其厚度为5.8-9.2 Å（图1d），接近理论单层极限。该方法突破传统厚度限制，首次实现多种金属的埃级单层可控生长。
3、慢速冷却（数小时）促进单晶形成，快冷（10分钟）则导致晶粒尺寸减小（<1 μm）。MoS
₂
封装不仅防止氧化，还通过vdW作用稳定金属结构，避免基底干扰。
1、
横截面与元素分布
如图2a所示。高角度环形暗场扫描透射电镜（HAADF-STEM）显示单层Bi夹于上下MoS
₂
之间，厚度6.3 Å。元素映射（Bi和Mo）清晰区分各层，证实Bi为两原子层组成的α相（110）结构。
2、俯视HAADF-STEM（图2b）显示矩形晶格，晶格常数a=5.03 Å、b=4.64 Å，与α-Bi(110)一致。选区电子衍射（SAED，图2d）显示Bi的矩形衍射斑点，与MoS
₂
六方斑点形成10.72°扭转角，表明Bi单晶与MoS
₂
无强耦合。
3、密度泛函理论（DFT）计算表明，MoS
₂
封装的α-Bi(110)比β-Bi(111)能量更低（低46 meV/单胞），证实其热力学稳定性。层间距3.1 Å为典型vdW作用距离，避免化学键形成。
1、图3b展示了金属行为与增强电导。电阻-温度曲线（Rxx-T）显示T>50
K时线性增长，符合电子-声子散射主导的金属特性。室温电导率9.0×10
⁶
S/m，比块体Bi（7.8×10⁵ S/m）高一个量级，归因于单晶无缺陷结构。
2、顶栅电压（Vtg）在±40 V范围内调制电阻变化35%，远高于块体金属（<1%），表明单层Bi具备场效应晶体管潜力。霍尔测量证实空穴导电（p型），载流子密度~10¹⁴ cm
⁻
²，迁移率~500
cm²/(V·s)（1.5 K）。
3、二阶霍尔电压Vxy²ω与驱动电流平方（Ixx²）呈线性关系，符号随电流方向反转，证实Berry曲率偶极（BCD）贡献。非线性霍尔电导率σxy²ω=0.22 μS/V，比WTe
₂
等材料高2个量级，为拓扑量子器件提供新平台。
1、通过调节挤压压力，可制备单层（6.3 Å）、双层（12.4 Å）、三层（19.5 Å）Bi。横截面STEM显示层间vdW堆叠，无化学键合，保持单层本征性质。
2、拉曼光谱显示单层Bi新增A'模式（104 cm
⁻
¹），随层数增加向A
₁
g模式靠近并减弱。A'与Eg、A
₁
g的峰间距与层数呈线性关系，可作为厚度标定手段。
3、层数依赖的电学与光学性质为定制化器件设计（如超薄互联、传感器）提供可能。声子模式调控揭示二维金属中晶格振动与电子态的强耦合机制。
