哪吒“重塑金身”的故事流傳已久，其關鍵就在于材料的選擇。無獨有偶，科學家們也在執(zhí)著探索給材料“重塑金身”。

中國科學院物理研究所（以下簡稱“物理所”）成功為金屬“重塑金身”，實現(xiàn)了厚度僅為頭發(fā)絲直徑的二十萬分之一的單原子層金屬，有望開創(chuàng)二維金屬研究新領域。

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制備二維金屬的挑戰(zhàn)

自2004年單層石墨烯發(fā)現(xiàn)以來，二維材料極大顛覆了人類對材料的原有認知，引領了凝聚態(tài)物理、材料科學等領域的系列突破性進展，開創(chuàng)了基礎研究和技術創(chuàng)新的二維新紀元。

在過去20年中，二維材料家族迅速擴大，目前實驗可獲得的二維材料達數(shù)百種，理論預測的更是近2000種。

然而，這些二維材料局限在層狀材料體系，其三維母體的原子層通過弱的范德華力相連，可通過機械剝離等方式來獲得二維單層。

縱觀整個材料數(shù)據(jù)庫，層狀材料的占比是非常小的，97.5%以上的是非層狀材料，如生活中隨處可見的金屬。

不同于層狀材料，金屬由于每個原子在任意方向均和周圍原子有強的金屬鍵相互作用，要想將其重塑為原子極限厚度的二維金屬，就好比從壓縮餅干中剝出像千層餅那樣完整的一層來一樣，極具挑戰(zhàn)性。

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新技術開創(chuàng)未來

面對挑戰(zhàn)，物理所發(fā)展了原子級制造的范德華擠壓技術，通過將金屬熔化，并利用團隊前期制備的高質量單層二硫化鉬（MoS2）范德華壓砧擠壓，實現(xiàn)了原子極限厚度下各種二維金屬的普適制備，包括鉍 (Bi, 6.3??)、錫 (Sn, 5.8??)、鉛 (Pb, 7.5??)、銦 (In, 8.4??) 和鎵 (Ga, 9.2 ?)。

▲范德華擠壓技術普適制備埃米極限厚度二維金屬

這些二維金屬的厚度僅僅是一張A4紙的百萬分之一，是一根頭發(fā)絲直徑的二十萬分之一。如果把一塊邊長3米的金屬塊壓成單原子層厚，將可以鋪滿整個北京市的地面。

范德華擠壓制備的二維金屬上下均被單層MoS2所封裝，具有非常好的環(huán)境穩(wěn)定性和非成鍵的界面，有利于器件制備以探測二維金屬的本征特性。

▲單層二硫化鉬封裝的單層金屬鉍

電學測量表明，單層鉍的室溫電導率可達～9.0×106S/m，比塊體鉍的室溫電導率（7.8×105S/m）高一個數(shù)量級以上。并且，單層鉍展現(xiàn)出明顯的P型電場效應，其電阻可被柵壓調控達35% （塊體金屬通常小于1%），為低功耗全金屬晶體管和高頻器件提供了新思路。

范德華擠壓技術還能以原子精度控制二維金屬的厚度（即單層、雙層或三層），為揭示以前難以企及的層依賴特性提供了可能。

相關研究成果3月12日發(fā)表于《自然》雜志，審稿人高度評價該工作：“開創(chuàng)了二維金屬這一重要研究領域” “代表二維材料研究領域的一個重大進展”。

來源：中國科學院物理研究所

責任編輯：吳昊 宋同舟