近日，物理所科研團隊在三維世界造出二維金屬材料， 這一科研進展受到了廣泛關注，登上了各大網站的熱搜。

網友們除了震撼于科學的迅猛發展，也由該突破聯想到“二向箔”“納米飛刃”等科幻作品中的高端科技，還有人對“二維”的界定感到迷惑不解。

許多人對“二維”的印象，約莫來自于《三體》中被二向箔打擊后二維化的太陽系：“三維世界的一切跌入二維后都將死去，沒有什么能夠活在厚度為零的畫中”。這樣夢幻的奇景，真的能出現在現實中嗎？在科學研究領域中，“二維”指的具體是什么？

抽象概念中的“二維”

在科幻中，大家感性上理解“厚度為零”的二維，其實更接近于數學或者幾何學概念中的“二維”。

在數學和幾何學中，二維空間指的是“僅包含兩個獨立方向的空間”。更易于理解來說，僅由長度和寬度（在幾何學中為X軸和Y軸）兩個要素構成，其厚度為零。

從大家大一學習的《線性代數》出發，我們可以用另外一套語言來描述二維空間。“向量”，是指具有大小和方向的量，可以表示為一個箭頭，也可以表示成一組有序的數字列表。兩個數乘向量的和被稱為這兩個向量的線性組合，而兩個向量的全部線性組合構成的向量集合稱為它們“張成的空間”。平面是二維線性空間，因為平面上的任何一點都可以用兩個線性無關向量的線性組合來表示。

物質世界中的“二維”

對于真實存在的物體，或者更精確一些，“材料”來說，“二維”并非指其完全沒有厚度，而是在長、寬、高至少一個維度上的尺度達到納米（一般認為小于100nm為二維）級別。

小編聽說這次發表二維金屬成果的課題組就是納米組噢

若是從材料中電子運動的角度考慮，維度描述的是材料中電子能在幾個方向自由運動。若電子僅能在兩個方向上自由運動（平面內），則稱其為二維材料。

更簡單講，由單原子層或幾個原子層構成的材料就屬于二維材料 。

許多不同的二維材料

講到這里，大家可能會在評論區提問：小編小編，二維材料的定義這么不嚴謹嗎？單層或者好幾層原子都能算？那要怎么判斷一個材料屬不屬于二維材料呢？

事實上，二維材料作為一個單獨的名詞和科研領域，定義的重心并不只在組成意義上的“厚度、層數”，更重要的是這些極薄的僅少數原子層的材料具有區別于塊體材料的性質。

（就如同我們看納米飛刃，不僅著眼于其肉眼不可見的纖細，更看重其極高的強度）

一些典型的二維材料的晶體結構和性質

正因為二維材料展現出了塊體材料沒有，或是與 塊體 材料相異的神奇特性，它們才被單獨制備和研究。

導致二維材料和體材料差異的原因有很多，最常見的包括以下幾個：

1

二維材料的能帶結構可能與塊體材料不同，從而使二維材料具有塊體材料不具備的性質。（能帶理論是討論晶體中電子運動行為的模型。通過能帶之間的能隙，我們能判斷晶體的導電性質，區分出導體、半導體和絕緣體。）

半導體、絕緣體和導體的能帶結構示意圖

2

二維材料對外界的調控更敏感，可以通過調控達到體材料無法到達的狀態。這是因為二維材料原子都在表面，沒有被藏起來，體系的復雜度降低了。

3

二維的體系中也蘊含著三維體系所沒有的物理。當電子僅在二維平面中運動時，電子在垂直方向不再表現出自由電子的運動形式，其連續的能譜將量子化為分立的能級。在一些特殊的外部條件下，二維體系中會出現量子霍爾效應（低溫強磁場下，二維電子系統的霍爾電導出現量子化平臺）。

這些新奇的差異，很好地在幾個經典的二維材料中表現出來了。

石墨烯/Graphene

二維材料領域的蓬勃發展，始于2004年英國曼徹斯特大學Geim團隊首次通過膠帶剝離出僅有一層碳原子的石墨烯。

石墨烯晶格結構、首次分離出的石墨烯光學顯微鏡照片和其邊緣的原子力顯微鏡圖像

石墨烯具有六邊形的蜂窩狀結構，與其體材料石墨擁有完全相同的化學組分，但它們在電學、光學、力學等性質上都有差異。石墨烯的電子遷移率（電子在單位電場的遷移速度）非常高，還是已知強度最高的材料之一，并且近乎透明；但石墨由于層層堆疊的結構，它在沿著層和垂直層的方向導電能力不同，它質地很軟，還常被用作潤滑劑，并且不透明。最后，從能帶模型看，石墨烯、多層石墨烯和石墨的能帶互不相同，這使得他們各自都有獨特的物理性質。

單層石墨烯的能帶結構

石墨烯是研究量子霍爾效應的良好平臺。在石墨烯中，發現了理論預言的狄拉克費米子、整數量子霍爾效應、分數量子霍爾效應等。

石墨烯的量子霍爾效應

這些都說明了石墨烯作為二維材料，所展現出的不同于其塊體材料的獨特性質。

單層二硫化鉬/MoS2

二硫化鉬隸屬于過渡金屬硫屬化物（TMDs，小編真的沒在罵人），是過渡金屬硫屬化物中研究最為廣泛的一種半導體材料。

單層二硫化鉬是兩個硫原子層夾一個鉬原子的“三明治”結構，硫原子與鉬原子通過共價鍵相結合；塊體二硫化鉬則是單層二硫化鉬層與層之間通過范德華力結合的。

二硫化鉬單層和塊體的晶格結構

二硫化鉬單層與其塊體材料在性質上也有差異。二維材料的電子遷移率大、開關比高、機械強度和柔韌性好，反之體材料的電學性質和力學性質都較差。

他們最突出的差異，當屬單層硫化鉬與體材料的能帶結構。當塊體的二硫化鉬逐漸減薄時，其能帶結構逐漸發生變化，在單層時其能隙從間接能隙突變為直接能隙（導帶底和價帶頂對齊），這直接改變了單層二硫化鉬的光學特性。

二硫化鉬體材料、四層、雙層和單層的能帶結構

體材料二硫化鉬一直作為潤滑劑使用，而單層二硫化鉬在半導體器件的發展中展現出了巨大的潛力，有望成為突破晶體管微縮瓶頸的候補材料之一。二維金屬的突破，正是以單層二硫化鉬作為封裝實現的。

人們能發現二維材料中的奇特性質，其理論基礎多是研究“介觀物理”而來。“介觀”是介于“微觀”（原子、分子）和“宏觀”（塊體材料）之間的物理體系。

在介觀這一物理尺度下，既要考慮與微觀體系類似的量子性質和原子尺度理論，也要考慮在宏觀體系中大量的原子整體的漲落。

物理學的研究中，一直存在兩種方法論用于認識物質世界的運動規律：還原論和衍生論。還原論指的是搞清楚體系中其中基本單元的運動規律就可以知道整個體系的規律；衍生論則認為隨著體系中基本單元的增加，體系越來越復雜，在一系列不同復雜度的體系中都需要建立專門的理論描述體系的運動規律，其中典型的代表學者是諾貝爾物理學獎得主菲利普·安德森，他指出“More is different”，即強調不同復雜度的體系中有不同的規律。

二維材料不是自然生成的，是人造的，相對體材料，它們的復雜度更低，更好調控。而且二維材料還可以通過不同的手段像搭積木一樣堆疊出新的復合結構，調制出不同的性質用于基礎理論的研究。

金屬材料伴隨了幾乎整個人類文明，研究和應用深入而廣泛，但二維金屬的研究則相對非常“原始”，其中第一個也是最大的挑戰就是二維金屬的獲得，因而金屬的二維化極度重要。

二維金屬？怎么做到的？

如上文所言，早在2004年單層石墨烯就通過撕膠帶“撕”出來了，那為什么單層金屬的研究卻晚得多呢？答案是金屬和石墨烯的結構不同。

形象地來說，石墨烯就像是一疊培根，一層一層相互疊在一起，所以將單層石墨烯分離只需要揭起其中一層就行。

金屬卻不具有這種層狀結構，它更像一塊堅硬的黃油，從中撕出一個薄層極其困難。

左：石墨烯培根，右：金屬黃油

用科學語言來描述，對于石墨烯而言，石墨烯層之間的相互作用是范德華相互作用，石墨烯層內的碳原子之間則是通過共價鍵結合的。共價鍵的強度遠強于范德華相互作用（層剝離時范德華相互作用首先被破壞，共價結合保持），因此可以直接從石墨塊體剝離得到單層石墨烯。而金屬并沒有這樣的層狀性質，一個金屬原子四面八方都被其他金屬原子緊密結合，不存在哪個方向結合更弱的情況，難以機械剝離。

那最近這篇工作是如何實現“單層黃油”的呢？

再次形象地來說，假設金屬是一塊黃油，作者使用二硫化鉬作為面包來裹住黃油，把黃油夾進兩塊面包之間，再放進電餅鐺中，兩面加熱使黃油融化、加壓讓黃油變薄，這樣就能得到一個黃油夾心三明治了！而黃油夾心此時已經被擠壓成單層的了。

謝邀，給小編寫餓了

這樣，大家是不是能看懂下面的制備流程了？

這就是團隊獨創的原子級制造的范德華擠壓技術。其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范德華壓砧擠壓，實現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 ?)。同時團隊仔細研究了二維鉍金屬的結構和性質，它展現出優良的應用潛力。

物理所的科研團隊通過這種方式制備了大面積、大氣環境穩定的單層二維金屬，為探索金屬在單層狀態下的新奇物性提供了基礎。國際審稿人一致給予該工作極高評價：“開創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”！

更詳細的科研進展，請點擊查看~

未來科學家們會從中發現什么，讓我們拭目以待吧！說不定，這一步是邁向更有趣的科技的關鍵一步呢……？

感謝 二十三 師兄對本文的指導！

參考文獻

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[2] https://www.zhihu.com/question/26428553

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編輯：花卷

本文轉載自《中科院物理所》微信公眾號

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