近期，中國科學院物理研究所張廣宇研究員和杜羅軍特聘研究員團隊開發了一種名為“范德華擠壓法”的原子制造新技術，成功制備出包括鉍（Bi）、鎵（Ga）、銦（In）、錫（Sn）和鉛（Pb）在內的多種二維金屬。

這項研究的突破在于將金屬材料厚度推向了埃米（?）級極限，相當于頭發絲直徑的二十萬分之一。

這么薄的金屬是一種什么概念呢？

張廣宇給出了一個形象的比喻：“假如我們把 10 立方米的金屬塊壓制成原子級厚度的二維金屬薄片，其面積足以鋪滿整個北京城。”

這項研究成果具有重要的科學意義和應用價值：

一方面，填補了二維金屬材料研究領域的空白，拓展了二維材料家族的種類；另一方面，為探索奇異物理性質及構筑未來新型電子器件和光子器件開辟了新方向。

審稿人評價該研究“開創了二維金屬這一重要研究領域”“代表了二維材料研究領域的一個重大進展”。美國加州大學歐文分校桑切斯-山岸（Sanchez-Yamagishi）教授在Nature撰寫 News & views 專欄評價該研究是“一個令人印象深刻的壯舉”“實現了大面積真正的二維金屬”。

（來源：課題組）

日前，相關論文以《埃米厚度極限二維金屬的實現》（Realization of 2D metals at the ?ngstr?m thickness limit）為題發表在Nature[1]。

中國科學院物理研究所趙交交博士是第一作者，張廣宇和杜羅軍擔任共同通訊作者。

圖丨相關論文（來源：Nature）

大道至簡：“撕”出來的石墨烯，“擠”出來的二維金屬

2004 年，英國物理學家康斯坦丁·諾沃肖洛夫（Konstantin Novoselov）和安德烈·海姆（Andre Geim）等人首次制備出穩定存在的、原子級厚度的單層石墨烯（graphene）[2]。

他們采用了簡單的“膠帶法”（機械剝離法），從石墨中“撕”出單層碳原子薄膜，不僅驗證了其在常溫常壓下的穩定性，還探索了其新奇的電子輸運特性。這一突破性發現顛覆了傳統認知，也成為二人獲得 2010 年諾貝爾物理學獎的核心工作之一。

從那之后，科學家們逐漸認識到二維材料家族的多樣性，并陸續用膠帶“撕”出多種新型二維材料，包括過渡金屬硫族化合物（如 MoS2）、六方氮化硼（h-BN）、黑磷（Phosphorene）等。

這些二維材料多數是層狀材料，其結構類似書本中的紙張，其特性表現為：層內原子間的相互作用強，而層間的相互作用相對較弱。正是這種特性使得剝離單層材料相對容易，這也是早期的二維材料多數能夠實現大面積制備的重要原因。

就在領域內掀起石墨烯研究熱潮時，2013 年，張廣宇帶領團隊選擇了一個“小眾”的方向——二維半導體材料 MoS2 技術。

作為國內最早從事該方向的團隊之一，他們不斷深入優化實驗方法，逐漸實現了從毫米級到 8 英寸高定向的單層 MoS2 晶圓，并將載流子遷移率提升至約 100cm2/V·s，為后續產業應用奠定了堅實的基礎。

2015 年，該團隊開始探索更具挑戰性的二維金屬研究，試圖揭開這一領域的“神秘面紗”。然而，研究進展并不順利。

圖丨非層狀結構的研究難點（來源：課題組）

二維金屬是二維材料家族的一個“另類”，與其他層狀材料不同的是，它更像是緊密結構堆積而成的木頭塊——每個原子都與其周圍的原子形成強耦合，如同被“強力膠水”牢牢粘住。

這種結構使得單層金屬的制備極其困難，因為金屬原子在單層狀態下極不穩定，稍有擾動就會重新聚集形成三維結構。

圖丨單層二硫化鉬封裝的二維金屬鉍（來源：課題組）

就在課題組對二維金屬制備方法“無從入手”時，MoS2 項目的研究經驗帶來了轉機。彼時，該團隊在單層 MoS2 的相關研究已接近極限，他們開始思考如何進一步提升其性能。一次實驗中，研究人員嘗試將兩層 MoS2 插入金屬并施加壓力后，發現通過這種方法竟能形成穩定的單層金屬結構。

這一現象讓張廣宇聯想到工業金屬鍛造工藝，他提出一個關鍵設想：既然二維金屬無法像石墨烯那樣“撕”出來，是否可以通過高壓將其“擠”出來？

（來源：Nature）

基于這一思路，研究人員開發了全新的“范德華擠壓法”。該方法的核心在于利用兩片單層 MoS2 覆蓋的藍寶石作為壓砧，在高溫高壓下將熔融金屬擠壓成原子級厚度的薄膜。

具體流程包括三個關鍵步驟：首先，將金屬粉末置于底部壓砧上，加熱至熔化形成液滴；然后，兩片壓砧逐漸靠近并在約 150MPa 的高壓下擠壓，將液態金屬壓平成薄膜；最后，緩慢冷卻至室溫后，通過機械剝離獲得完全封裝在 MoS2 中的二維金屬。

該方法成功制備出多種超薄二維金屬，如單層鉍（厚度僅 6.3?），以及鎵、銦、錫和鉛等，均達到 ? 級厚度。

圖丨擠壓裝置的照片和示意圖（來源：Nature）

為電子器件和功能材料領域的應用開辟全新可能

在該研究中，研究人員以單層鉍為例，詳細研究了其原子結構、光學和電子性質，初步發現了一系列突破傳統認知的物理特性。這些發現為二維金屬在電子器件和功能材料領域的應用開辟了全新可能。

在電學性能方面，研究團隊重點考察了金屬在原子級厚度下的導電特性。室溫測試結果顯示，單層鉍的電導率高達 9.0×106S/m，相比塊體鉍（7.8×105S/m）提升了整整一個數量級。

“當首次觀察到這一現象時，我們感到非常驚訝。因為根據常規理論預測，相關結果應該遠低于實測數據。”張廣宇表示。

圖丨單層鉍的原子結構（來源：Nature）

為了驗證數據的可靠性，研究人員進行了長達數月的驗證，通過多批次實驗測量和文獻數據比對，最終確認了這一超常電導率的真實性。這一突破性發現表明，二維金屬有望成為新一代芯片互連材料的理想選擇。

此外，研究人員還發現二維金屬存在顯著的電場效應。實驗數據顯示，通過施加柵極電壓，單層鉍的電阻變化可達 35%，遠高于塊體金屬通常小于 1% 的水平。

這一特性使得全金屬晶體管的研制成為可能，與現有硅基器件相比，這類晶體管在理論功耗和工作頻率方面具有顯著優勢，也為開發新型邏輯電路和憶阻器提供了全新思路。

圖丨單層鉍的電學性質（來源：Nature）

在極端低溫條件下（50mK），單層鉍展現出約 0.22μm·S/V 的非線性霍爾電導率，這一數值比已報道的其他二維材料高出兩個數量級。同時，封裝樣品的長期穩定性測試表明，單層鉍在環境中可穩定存在至少一年，展現出優異的實用化前景。

除電子器件應用外，二維金屬的多功能特性還展現出廣闊的應用前景。

在傳感檢測領域，二維金屬表面原子對分子接觸的瞬時響應特性，使其在氣體探測、環境監測等方面具有獨特優勢。這種超高靈敏度甚至可拓展至雷達探測等高端應用場景。

在柔性電子領域，與傳統氧化銦錫電極相比，二維金屬兼具原子級厚度、優異透光性和超高電導率，有望突破現有柔性顯示技術的性能瓶頸。這一特性還使其在可穿戴設備、智能調光玻璃、新型光電器件等領域具有重要應用價值。

在催化科學方面，二維金屬的高活性表面為其在能源轉化、環境治理等領域的應用提供了新的可能性。

歷屆課題組成員十年間從 0 到 1 的“薪火相傳”

張廣宇研究員深受其博士導師王恩哥院士“做點不一樣的，做點新的”學術思想的影響，并將這一理念確立為團隊的核心指導思想。這項二維金屬研究的成功，正是在一屆屆課題組成員十年的學術傳承和不斷探索中結下的碩果。

在研究初期，包括現任北京大學助理教授的盧曉波、南方科技大學副教授陳鵬以及即將擔任浙江大學教授的湯建在內的多位課題組成員都曾嘗試攻克這一難題，但均因技術瓶頸轉向其他研究方向。

直到團隊成員劉杰英和趙交交發現可以通過“壓制”工藝將 MoS2 的材料性能顯著提升，為課題研究帶來了新的突破方向。杜羅軍曾是團隊的一員，他作為中國人民大學-中科院物理所聯合培養博士，在芬蘭阿爾托大學完成博士后研究后，于 2022 年重返張廣宇團隊，并加入了這項研究推動其更快發展。

圖丨杜羅軍（來源：課題組）

杜羅軍表示：“當我還是博士生時，張老師始終鼓勵我們多去嘗試那些看似不可能的研究方向，尤其是‘從 0 到 1’的原創性工作。寧可失敗了重新再來，也不去做跟風的研究。”如今，這種勇于探索未知的科研精神，已成為課題組代代相傳的寶貴財富。

從學生到導師的身份轉變也讓杜羅軍深有感觸：“學生階段要夯實專業基礎，博士后階段則需拓展學術視野，這種'先深度后廣度'的培養模式對我們的成長至關重要。”

目前，課題組雖已在實驗室成功制備出二維金屬，樣品尺寸達到百微米量級，較傳統機械剝離法有顯著提升，但這只是一個開始，距離實際應用仍有一定的距離。另外也需要看到，現有實驗技術僅能制備原型器件至中試階段，要實現產業化還需加強與工業界的深度合作。

圖丨元素周期表（來源：資料圖）

為此，研究人員未來的研究方向將聚焦于三個方向：一是突破毫米級大面積二維金屬薄膜制備技術；二是深入探究二維金屬的作用機理、物理特性和穩定性，實現“從 0 到 1”原創性突破；三是將研究體系從目前已實現的 5 種金屬拓展至更多金屬元素，以探索超導、磁性等新穎物理現象。

“元素周期表中 80% 以上元素都是金屬元素，而金屬材料占全球結構材料的 70% 以上。我們的研究只是揭開了二維金屬的冰山一角，未來還有更廣闊的空間值得繼續探索。”張廣宇表示。

參考資料：

1.Zhao, J., Li, L., Li, P. et al. Realization of 2D metals at the ?ngstr?m thickness limit.Nature639, 354–359 (2025). https://doi.org/10.1038/s41586-025-08711-x

2.Konstantin Novoselov,Andre Geim et al. Electric Field Effect in Atomically Thin Carbon Films.Science306,5696,666-669(2024).https://doi.org/10.1126/science.110289

排版：劉雅坤