2025 年 3 月，中国科学院物理研究所传来振奋人心的消息：张广宇研究员带领的科研团队成功制备出铋、锡、铅、铟、镓五种二维金属，这是国际上首次实现大面积二维金属材料的制备，开创了二维金属研究的全新领域。这项突破性成果不仅填补了二维材料家族的重要空白，更为超微型低功耗晶体管、透明显示高频器件等领域带来了技术革新的可能性。
一、填补了二维材料领域的重大空白
二维材料是指仅有单个原子层或几个原子层厚度的材料，自 2004 年石墨烯被发现以来，二维材料研究成为了材料科学领域的热点。然而，占元素周期表约 80% 的金属，因具有非层状结构、强金属键及高对称性，如同 "压缩饼干" 般难以拆分，原子级薄的二维金属长期被学界认为是 "不可能完成的任务"，成为二维材料领域长期存在的重大空白。
传统的二维材料制备方法主要依赖于层状材料的剥离，而金属材料的每个原子在任意方向均和周围原子有强的金属键相互作用，这使得二维金属的制备面临巨大挑战。如何突破这一技术瓶颈，成为了全球材料科学家共同关注的难题。
二、范德华挤压技术的创新
为攻克这一难题，张广宇团队历时多年攻关，独创了 "原子级制造的范德华挤压技术"。该技术利用团队自主研发的原子级平整单层二硫化钼作为 "范德华压砧"，实现了埃米级极限厚度下二维金属的普适制备。
1.技术原理
·压砧选择：采用原子级平整、表面无悬挂键的单层二硫化钼作为压砧，这种材料具有理想的光滑表面，为二维金属的制备提供了完美的 "模具"。
·挤压过程：将金属熔化并利用范德华压砧挤压，通过精确控制温度、压力和材料质量，使金属原子沿二维平面整齐排列。
·稳定封装：当压力撤去后，这些被挤压成二维状态的金属原子并没有立即回弹或氧化，而是被两层二硫化钼稳定地夹在中间，形成类似三明治的结构，中间是金属层，两边是保护它的二硫化钼 "面包片"。
2.技术优势
·普适性：成功制备了铋（6.3Å）、锡（5.8Å）、铅（7.5Å）、铟（8.4Å）和镓（9.2Å）五种二维金属。
·大面积生长：实现了大面积可控生长，横向尺寸较此前同类材料实现了大幅提升。
·原子级精度：可通过参数调控实现单层、双层或三层的原子级精度厚度控制。
·超高稳定性：在常温空气中暴露超一年未发生氧化或性能退化。
三、五种二维金属的成功制备
通过范德华挤压技术，研究团队成功制备出五种二维金属，这些材料的厚度仅为头发丝直径的二十万分之一、A4 纸厚度的百万分之一，相当于 2-3 个原子层的厚度。
1.各二维金属特性
·铋（Bi，6.3Å）：最薄的二维金属，具有优异的半导体特性。
·锡（Sn，5.8Å）：良好的导电性和光学透明性。
·铅（Pb，7.5Å）：独特的量子尺寸效应。
·铟（In，8.4Å）：优异的柔性和延展性。
·镓（Ga，9.2Å）：良好的催化性能。
2.结构表征
研究团队采用了多种先进表征技术对二维金属进行了详细分析：
·高分辨率透射电子显微镜（TEM）：观察到原子级别的界面信息，揭示了二硫化钼对金属层的封装效果。
·选区电子衍射（SAED）：验证了二维金属的晶体结构以及其与 MoS₂的界面特征。
·高角度环形暗场扫描透射电子显微镜（HAADF-STEM）：成功捕捉到原子级别的界面信息，揭示了金属原子在二维材料中的分布规律。
四、开启二维金属时代
二维金属的成功制备为多个领域带来了革命性的应用前景：
1.电子器件领域
·超微型低功耗晶体管：二维金属的超薄特性使得器件尺寸可以进一步缩小，功耗大幅降低。
·透明显示高频器件：二维金属具有良好的导电性和光学透明性，可用于柔性显示屏、透明电极等。
·量子器件：二维金属展现出独特的量子尺寸效应，为量子计算和量子信息处理提供了新的材料平台。
2.能源领域
·高效催化剂：二维金属具有超高的比表面积，可用于电催化 CO₂还原、析氢反应等。
·电池电极材料：二维金属的层状结构有利于离子的快速扩散，可用于高性能电池电极。
3.传感器领域
·高灵敏度传感器：二维金属的超薄特性使其对外界环境变化极为敏感，可用于制备高灵敏度传感器。
·生物传感器：二维金属具有良好的生物相容性，可用于生物医学检测。
这项研究成果得到了国际学术界的高度认可，成功入选《物理世界》"2025 年十大突破"。《物理世界》评价称，这项技术突破了二维材料的传统界限，为二维材料家族增添了重要的新成员，有望在未来的电子器件、能源存储等领域产生深远影响。
二维金属的成功制备标志着我国在材料科学领域取得了重大原创性突破，填补了二维材料领域的重要空白。这项技术不仅为二维金属研究开辟了新方向，更为未来电子器件的发展提供了新的材料基础。随着研究的深入，我们有理由相信，二维金属将在更多领域展现出独特的应用价值，为人类科技进步做出重要贡献。
让我们期待中国科学家在二维材料领域继续取得更多突破性成果，为建设科技强国贡献力量！
