自石墨烯被剝離出來以來，二維（2D）材料領域就一直吸引著科學界的極大關注，引發了對原子尺度材料的狂熱探索。這些超薄材料展現出與其塊體形態截然不同的非凡特性，為電子、光子、能源等領域提供了前所未有的機遇。盡管二維材料家族已擴展到包括各種范德華狀化合物，如過渡金屬硫化物和六方氮化硼，但在其最基本厚度極限——埃米（?ngstr?m）尺度下實現二維金屬，在很大程度上仍然是一個重大挑戰，這主要是因為它們固有的熱力學不穩定性。最近發表在《自然》雜志上的一項題為“Realization of 2D metals at the ?ngstr?m thickness limit”的開創性研究，報道了一種成功克服這一難題的新方法，為探索真正二維金屬體系的獨特物理特性和技術潛力鋪平了道路。

范德華材料能夠被剝離成二維層，源于其固有的層狀晶體結構。在層內，原子通過強大的共價鍵或離子鍵結合在一起，而層與層之間則由相對較弱的范德華力維系。這種各向異性的鍵合使得機械或化學剝離成為可能。相比之下，金屬通常具有強大的、非定向的金屬鍵，這些鍵在三維空間中均勻延伸。因此，將塊體金屬減薄至原子厚度的層會顯著增加表面能，破壞穩定的三維鍵合環境，導致二維金屬狀態在熱力學上不穩定，容易聚集或反應。以往嘗試制備原子級薄金屬膜的方法，常常導致薄膜不穩定、形成不連續的島狀結構，或者需要復雜且材料特異性的合成途徑，且可擴展性和環境穩定性有限。

這篇發表在《自然》雜志上的論文所提出的創新之處在于，開發了一種通用且有效的方法，稱為“范德華擠壓”。該方法通過物理限制和穩定原子極限下的金屬來規避熱力學不穩定性。其核心原理是將少量塊體金屬放置在兩個原子級平坦、剛性的范德華材料層之間，具體來說，使用了外延生長在剛性襯底（如藍寶石）上的單層MoS?作為“壓砧”。該過程通常涉及將金屬前驅體加熱至熔化或變得易于變形的狀態，然后在MoS?壓砧的夾持下施加顯著壓力。

當施加壓力并且金屬被限制在MoS?層之間的納米級空間內時，它被迫橫向鋪展，形成一個超薄層。MoS?壓砧的作用至關重要。首先，它們原子級的平坦表面為金屬提供了理想的模板，使其能夠貼合形成相對較大面積上的均勻埃米厚度層。其次，MoS?及其下方藍寶石襯底的高楊氏模量使得壓砧能夠承受將金屬擠壓至原子極限所需的巨大壓力。最重要的是，MoS?層起到了原位封裝層的作用。一旦金屬層形成，周圍的MoS?會將其完全封裝起來，有效地屏蔽其與環境的接觸，并提供了穩定熱力學上不穩定的二維狀態所需的物理限制。二維金屬與MoS?之間的界面是非鍵合的范德華界面，這一點至關重要，因為它最大程度地減少了化學相互作用，使得人們能夠接觸和研究純二維金屬的本征特性。

利用這種范德華擠壓方法，研究人員成功合成了多種金屬的埃米厚度層，包括鉍（Bi）、錫（Sn）、鉛（Pb）、銦（In）和鎵（Ga）等金屬。所達到的厚度與這些材料理論上的單層厚度驚人地接近，證實了金屬在原子極限下的實現。例如，單層Bi的厚度約為6.3埃米。

該研究進一步詳細表征了這些新實現的二維金屬的性質，特別側重于單層Bi。輸運測量顯示，與更厚的薄膜相比，其電導率顯著增強。更令人矚目的是，他們觀察到了顯著的場效應，這是半導體或半金屬的典型特性，即施加外部電場可以調制載流子濃度，從而改變電導率。在二維極限下的金屬Bi中觀察到顯著的場效應尤其令人著迷，這表明其具有晶體管類應用的潛力。此外，研究人員報告了二維Bi中存在巨大的非線性霍爾電導和一個新的聲子模式的出現，這兩者都表明當材料被限制在二維空間時，會產生獨特且先前未曾觀察到的電子和振動特性。這些發現表明，即使是簡單的元素金屬，在原子尺度下也可以展現出豐富而新穎的物理現象。

這項工作的意義是多方面的。從基礎科學的角度來看，它為探索金屬在嚴格二維環境下的電子、光學和量子特性開辟了全新的途徑。先前預測的在二維金屬中可能出現的奇異現象，例如增強的電子關聯、獨特的等離激元響應，甚至拓撲態，現在都可以通過實驗進行研究。制備穩定、純凈的二維金屬層，使得在不受表面污染或復雜界面干擾的情況下，進行詳細的光譜和輸運研究成為可能。

從技術角度來看，穩定、大面積二維金屬的實現具有巨大的潛力。原子級薄的金屬可以作為未來微型電子電路中的互連線，與較厚的導線相比，可提供更低的電阻和功耗。它們在納米尺度的獨特光學特性可被用于先進的等離激元器件、傳感器和超材料。此外，在二維Bi中觀察到的增強場效應暗示了制造超薄、低功耗晶體管或開關的可能性。該方法的通用性還表明，有望制造出二維金屬合金或與其他二維材料的異質結構，進一步拓展新型功能器件的設計空間。范德華壓砧提供的封裝確保了環境穩定性，這對于實際應用至關重要。

這項研究是材料科學領域的一項重大飛躍，彌合了成熟的二維范德華材料領域與先前難以實現的穩定原子級薄金屬領域之間的鴻溝。范德華擠壓法是一種強大且看似通用的技術，有望應用于多種非自然層狀的材料。它不僅為元素二維金屬的實現提供了一條可靠的途徑，還可能實現埃米極限下的二維合金、金屬間化合物，甚至非晶態金屬薄膜，每種都擁有其獨特的性能組合。