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yexuqing木蟲之王 (文學泰斗)
太陽系系主任
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范德華擠壓技術(shù)實現(xiàn)二維金屬的普適制備
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中國科學家開創(chuàng)二維金屬研究新領(lǐng)域 ——創(chuàng)新范德華擠壓技術(shù)實現(xiàn)二維金屬的普適制備 中國科學院物理研究所研究員張廣宇團隊發(fā)展了原子級制造的范德華擠壓技術(shù)，制備出原子極限厚度的各種二維金屬，完成二維家族的“一大塊拼圖”。相關(guān)研究成果于3月13日發(fā)表在《自然》雜志。 審稿人一致評價：“開創(chuàng)了二維金屬這一重要研究領(lǐng)域”，“代表二維材料研究領(lǐng)域的一個重大進展”。 團隊成員合影，張廣宇（右三）、趙交交（右二）。受訪者供圖 從“壓縮餅干”中剝出“千層餅” 二維材料的概念伴隨著2004年單層石墨烯的發(fā)現(xiàn)而被提出，它的諸多新奇特性極大顛覆了人類對材料的認知，引領(lǐng)了凝聚態(tài)物理、材料科學等領(lǐng)域的突破性進展，拓展了基礎(chǔ)研究和技術(shù)創(chuàng)新。在過去20年里，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(yù)測更達近2000種。然而，由占據(jù)元素周期表大半江山的金屬構(gòu)成的二維材料在家族中卻一直缺席。 原子極限厚度下二維金屬有著廣闊的應(yīng)用前景，將會帶來超微型低功耗晶體管、高頻器件、柔性透明顯示、超靈敏探測、極致高效催化等眾多領(lǐng)域的技術(shù)革新。 “石墨烯是由單層碳原子的結(jié)構(gòu)組成的。理論上，把金屬做成單原子層厚度時，就成了二維金屬。”張廣宇告訴《中國科學報》，盡管過去實驗中觀察到了一些非常薄的材料，但由于尺寸太小且和襯底有強的化學鍵相互作用，并非真正的二維金屬。 大約在2016年，張廣宇有了研究二維金屬的想法，但當時國際上還沒有成功的經(jīng)驗。擺在科學家面前有兩大難題：制備方法和材料樣品。 已有二維材料是層狀結(jié)構(gòu)，就像千層餅一樣可以一張張“撕開”，從而通過剝離等方式來獲得二維單層。而金屬就像是一塊兒緊實的“壓縮餅干”，每個原子在任意方向均和周圍原子存在強金屬鍵相互作用，無法自然分層。 “要想獲得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?zāi)菢油暾囊粚觼硪粯樱瑯O具挑戰(zhàn)性�！睆垙V宇說。 20年積累終獲突破 鍛鋼、打金箔等工業(yè)生產(chǎn)工藝給研究團隊帶來了靈感。有“中華一絕”之稱南京金箔鍛制技藝，通過數(shù)萬次捶打?qū)⒔饓K變成薄如蟬翼100納米薄金箔。但這離達到單原子層厚度極限（小于1納米）還有很大鴻溝。要達到原子極限的薄，關(guān)鍵在于樣品的襯底需有著原子級平整的表面，還要在施壓中克服材料各方向的力。 過去20年，張廣宇團隊始終專注二維材料的制備和物性研究，2018年以來，團隊在藍寶石襯底上外延制備高質(zhì)量連續(xù)單層二硫化鉬晶圓領(lǐng)域取得了一系列重要進展，且在2024年突破單層二硫化鉬單晶晶圓和8英寸晶圓外延技術(shù)。二硫化鉬正是原子級光滑平整的二維半導體，可為二維金屬的制備提供理想的范德華壓砧。 為什么一定要“平整”？張廣宇解釋道，就像壓面團，假如按壓的模具上全是刺，面團壓出來也一定不平，無法達到“超薄”，而襯底就相當于模具。 由于該實驗過去鮮少有團隊做過，而工廠設(shè)備價格昂貴，張廣宇團隊決定自己改造實驗設(shè)備，用幾萬元就達到了百萬級設(shè)備的效果。最終經(jīng)過長時間摸索，團隊得到了包括鉍、錫、鉛、銦、鎵等單原子層金屬，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。 該范德華擠壓技術(shù)為二維金屬合金、非晶和其他二維非層狀材料也開辟了有效原子級制造方案，為各種新興的量子、電子和光子器件應(yīng)用提供了新的技術(shù)手段。 貼上“中國標簽” 研究團隊通過超1年的材料特性測試，發(fā)現(xiàn)這些二維金屬具有非常好的環(huán)境穩(wěn)定性，將有利于器件制備以探測二維金屬的本征特性。此外，單層鉍的室溫電導率可達~9.0×106S/m，比塊體鉍高一個數(shù)量級以上，電阻可被柵壓調(diào)控達35%，為低功耗全金屬晶體管和高頻器件提供了新思路。 “原子極限厚度下二維金屬的實現(xiàn)不僅超越當前二維層狀材料體系，還有望演生出各種宏觀量子現(xiàn)象，促進理論、實驗和技術(shù)的進步。如二維金屬不僅為理論提供了一個理想的量子受限模型體系，也是實驗探索量子霍爾效應(yīng)、二維超流或超導、拓撲相變等的絕佳載體�！闭撐墓餐ㄓ嵶髡摺⒅袊茖W院物理研究所特聘研究員杜羅軍說。 “在我跟張老師讀博士時，這一構(gòu)思就有了，當時覺得不太能實現(xiàn)，因為金屬原子間作用力很強，不像層狀材料容易剝離�！倍帕_軍坦承，該研究先后歷經(jīng)多位學生畢業(yè)，而論文的第一作者、博士生趙交交更是歷經(jīng)7年完成該工作——也是他博士期間唯一的一項工作�！皬埨蠋熞恢备嬖V我們要做別人很難實現(xiàn)的研究，努力開創(chuàng)新領(lǐng)域、探索新材料，多‘啃硬骨頭’。” “在二維材料領(lǐng)域，石墨烯是英國人做出來的，其它也基本被歐美占據(jù)。之前沒有人做過二維金屬，中國科學家做出來了，未來二維金屬領(lǐng)域就會貼上中國標簽�！睆垙V宇說。 相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1038/s41586-025-08711-x |
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