自2004年單層石墨烯發(fā)現(xiàn)以來(lái)，二維材料引領(lǐng)了凝聚態(tài)物理、材料科學(xué)等領(lǐng)域的系列突破性進(jìn)展，并開創(chuàng)了基礎(chǔ)研究和技術(shù)創(chuàng)新的二維新紀(jì)元。在過(guò)去20年中，二維材料家族迅速擴(kuò)大，目前實(shí)驗(yàn)可獲得的二維材料達(dá)數(shù)百種，理論預(yù)測(cè)的更是近2000種。然而，這些二維材料基本上局限在范德華層狀材料體系。原子薄極限的二維金屬是近年來(lái)孜孜以求的新興二維材料，它的實(shí)現(xiàn)不僅可以超越當(dāng)前二維范德華層狀材料體系，拓寬二維材料家族，還有望衍生出各種宏觀量子現(xiàn)象，促進(jìn)理論、實(shí)驗(yàn)和技術(shù)的進(jìn)步。但不同于范德華層狀材料，金屬是高度對(duì)稱的非范德華材料，各向同性且強(qiáng)的金屬鍵導(dǎo)致二維金屬的制備極具挑戰(zhàn)。在過(guò)去幾年中，人們?yōu)閷?shí)現(xiàn)二維金屬進(jìn)行了大量努力，但未能在原子薄極限下實(shí)現(xiàn)大尺寸和本征的二維金屬。
針對(duì)挑戰(zhàn)，最近由張廣宇研究員領(lǐng)導(dǎo)的中國(guó)科學(xué)院物理研究所與松山湖材料實(shí)驗(yàn)室聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)提出了原子級(jí)制造的范德華擠壓技術(shù)，通過(guò)將金屬熔化并利用團(tuán)隊(duì)前期制備的高質(zhì)量單層MoS2范德華壓砧擠壓，實(shí)現(xiàn)了埃米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 ?)。范德華擠壓制備的二維金屬上下均被單層MoS2所封裝，因此具有非常好的環(huán)境穩(wěn)定性（在超1年的測(cè)試中無(wú)性能退化）和非成鍵的界面，有利于通過(guò)器件制備來(lái)探索二維金屬的本征特性。電學(xué)測(cè)量表明，單層鉍的電導(dǎo)率隨著溫度的降低近線性增加，表現(xiàn)出經(jīng)典金屬行為，室溫電導(dǎo)率可達(dá)~9.0×106 S/m，比塊體鉍的室溫電導(dǎo)率（~7.8×105 S/m）高一個(gè)數(shù)量級(jí)以上。并且，單層鉍展現(xiàn)出明顯的P型電場(chǎng)效應(yīng)，其電阻可被柵電壓調(diào)控達(dá)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的制備闡明了可行性。此外，范德華擠壓技術(shù)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新奇層贗自旋特性提供了可能。
▲范德華擠壓技術(shù)普適制備埃米極限厚度二維金屬
這一工作是原子級(jí)制造的一個(gè)成功案例。國(guó)際審稿人一致給予該工作極高評(píng)價(jià)：“開創(chuàng)了二維金屬這一重要研究領(lǐng)域opens an important research field on isolated 2D metals” ；“代表二維材料研究領(lǐng)域的一個(gè)重大進(jìn)展represents a major advance in the study of 2D materials”。本工作發(fā)展的范德華擠壓技術(shù)為二維金屬、合金和其他二維非范德華材料開辟了有效原子級(jí)制造方案，有望為各種新興的量子、電子和光子器件勾勒出美好的愿景。
相關(guān)研究成果以“Realization of 2D metals at the ?ngstr?m thickness limit”為題發(fā)表在Nature。中國(guó)科學(xué)院物理研究所N07組與松山湖材料實(shí)驗(yàn)室二維材料團(tuán)隊(duì)聯(lián)合培養(yǎng)的博士生趙交交（已畢業(yè)）為該論文的第一作者，中國(guó)科學(xué)院物理研究所/松山湖材料實(shí)驗(yàn)室張廣宇研究員和中國(guó)科學(xué)院物理研究所杜羅軍特聘研究員為該論文的通訊作者。本研究工作獲得來(lái)自中國(guó)科學(xué)院物理研究所杜世萱研究員，潘金波副研究員和李佩璇博士等的合作和理論計(jì)算支持，并得到了科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金委、廣東省基礎(chǔ)與應(yīng)用基礎(chǔ)研究重大項(xiàng)目和中國(guó)科學(xué)院等科研項(xiàng)目的資助支持。
▲張廣宇研究員和第一作者趙交交就實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行討論
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