中国科学家发起了降维打击！——没用二向箔

近日，中国科学院物理研究所的科研团队成功研制出厚度仅为头发丝直径的二十万分之一的单原子层金属，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新领域。成果于北京时间 3 月 13 日在国际学术期刊《自然》发表。

什么是二维材料？为什么科学家要制备单原子层金属？他们又是如何实现对金属“降维”的？这就让我们一一道来。

原子是组成物质的基本单位，就像一个个小球，堆叠之后形成了各种材料。如果一层层地移走小球，最后只剩下单个或数个原子级别厚度的“平面”或“薄片”，这就得到了二维材料。

当然，以人类当前对物理学的理解，我们生活在一个三维的世界，能够局部改变维度的二向箔暂时只是科幻作品中的设定。即使是单个的原子也有一定的“厚度”，不可能降为真正意义上的二维。不过，二维材料的厚度达到了原子层的物理极限，通常在纳米级别，仅为一张A4纸的百万分之一，因此在材料学的应用中，可以近似视为只有长宽、没有厚度的二维平面。

三维材料与二维材料的转化示意图（图片来源：Queen Mary University of London）

二维材料的结构如此奇特，那我们的日常生活中有机会接触到二维材料吗？当然有！比方说铅笔芯中的石墨，它是由多层碳原子以六边形蜂窝状晶格排列而成的。用铅笔书写的时候，留下的笔迹事实上就是薄薄的石墨片。如果这个石墨片足够薄，薄到只有一个原子厚，那就得到了一种二维材料——石墨烯。

怎样才能得到只有一个原子厚的石墨薄片呢？不必使用二向箔，我们就用最简单的方法：用胶带撕！重复用胶带粘贴和撕开石墨块表面，每次都会把几层碳原子给撕下来，最终胶带上会残留极薄的石墨片，其中就可能包含单原子层的石墨烯。

正是用这个看似朴实无华的方法，海姆和诺沃肖洛夫两位科学家首次制备得到单层石墨烯，由此荣获 2010 年诺贝尔物理学奖。在此之前，传统理论认为二维晶体无法稳定存在，石墨烯颠覆了这一观念，是人类发现的第一种真正意义上的二维材料。

相比起多原子层堆叠形成的三维材料，二维材料具有独特的物理性质，因此备受科学家的青睐。举例来说，二维材料大部分的原子裸露在外界，具有很大的化学反应有效面积，可应用于催化领域；二维材料中的电子被限制在平面内运动，大大增强了材料的导电性，还能表现出量子霍尔效应、二维超导等一系列低维下的奇特量子现象；甚至可以把不同组成的二维材料拼接起来，像搭积木一样组合出各种各样的器件……

自 2004 年发现石墨烯以来，实验可获得的二维材料已经达数百种，理论预测的更是近 2000 种。然而，二维材料的来源面临一个严峻的问题，那就是局限于层状材料体系。

现在用于制备二维材料的三维母体材料一般都是范德华层状材料，在特定方向上以原子层排列，层间通过比较弱的范德华力相连接，因此更容易用外力一层层“撕开”。但是在自然界已知的十多万种三维固体材料中，层状材料的占比还不到 3%，其余绝大多数都是非范德华材料，原子之间有较强的成键，很难通过常规的机械剥离等方式得到二维材料，这就大大限制了二维材料的丰富性。

我们熟悉的大多数金属，比如说金、银、铜、铁，都属于缺少层状结构的非范德华材料，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。要想获得原子极限厚度的二维金属，就像从压缩饼干中剥出像千层饼那样完整的一层，难度极大。

怎样才把金属做成单原子层的二维材料呢？中国科学家给出了答案：压！

面对制备二维金属的挑战，中国科学院物理研究所张广宇研究员带领团队发展了原子级制造的范德华挤压技术，通过将金属熔化并利用前期制备的高质量单层二硫化钼范德华压砧挤压，实现了原子极限厚度下铋、锡、铅等二维金属的普适制备。

形象地说，制备方法就像是夹三明治，中间的液态金属是“肉饼”，上下分别加上了“煎蛋”（单层二硫化钼，一种二维材料）、“生菜”（蓝宝石），最外层的“面包”（钢板）不断挤压，最后把里层的“肉饼”压扁成只有原子级厚度的二维金属。

二硫化钼是原子级光滑平整的二维半导体，可为二维金属的制备提供理想的范德华压砧，是实验成功的关键之一。研究团队后续通过超1年的材料特性测试，发现单层二硫化钼封装的二维金属具有非常好的环境稳定性，将有利于器件制备以探测二维金属的本征特性。

对于团队的成果，《自然》审稿人一致给出了高度评价：“开创了二维金属这一重要研究领域”，“代表二维材料研究领域的一个重大进展”。本工作发展的范德华挤压技术为二维金属、合金和其他二维非范德华材料开辟了有效原子级制造方案，有望为各种新兴的量子、电子和光子器件勾勒出美好的愿景。