图①：超高真空范德华挤压装置。记者 沈东方 摄

图②：以范德华挤压技术制备二维金属流程图。 受访者供图

图③：特聘研究员杜罗军正在以范德华挤压技术制备二维金属。记者 沈东方 摄

图④：被单层二硫化钼上下封装的单层金属铋示意图。受访者供图

图⑤：课题组学生正在蓝宝石上外延制备单层二硫化钼。记者 沈东方 摄

我们常用“薄如蝉翼”来形容一种材料轻薄到了极致，而在微观世界里，还有比蝉翼薄几万倍的材料，这就是二维材料。近20年来，经过科学家们的持续探索，二维材料的“家族”已十分庞大，但对二维金属的研究还是空白。

近日，中国科学院物理研究所纳米物理与器件N07课题组在二维金属研究上获得重大突破。该课题组研究出了原子级制造的范德华挤压技术，制备出了厚度仅为头发丝直径的二十万分之一的单原子层金属，有望开创二维金属研究新领域。相关研究成果《埃米厚度极限二维金属的实现》于3月13日发表在国际顶级学术期刊《自然》。

厚度在十纳米以下、肉眼不可见，以石墨烯为代表的二维材料已达数百种

你所见过的“最薄之物”是什么？

马王堆汉墓出土的曲裾素纱单衣，重仅48克，整件衣服可轻松穿过一枚戒指，将其叠起十层放在报纸上，仍能透过它看到报上文字；代表着新石器时代龙山文化的蛋壳黑陶杯，杯壁厚度均匀，薄如蛋壳，最薄处仅为0.2至0.3毫米……即便薄到这种程度，构成这些文物的材料依然属于三维材料。

“真正的二维材料，用肉眼是看不见的。”中国科学院物理研究所特聘研究员杜罗军向记者介绍，在日常生活中看到的物体，通常都具有一定的长度、宽度和高度，这都是三维材料。当把三维材料的其中一个维度做到非常薄，薄到物质的最薄厚度即只有一个原子层厚度时，就是二维材料。一般来说，当材料厚度在十纳米以下，就会显现出与三维材料不同的特性。因此，在实际研究中，两、三、四层原子厚度的材料也可以被称为二维材料。

近一个世纪以来，物理学界曾普遍认为，二维材料是不可能存在的。

直到2004年，石墨烯材料横空出世。英国曼彻斯特大学学者在常规实验中观察到废弃胶带上的石墨残渣，受此启发，尝试用透明胶带反复剥离高定向热解石墨，最终在显微镜下发现厚度仅0.335纳米的单层碳原子结构，相当于头发丝直径的二十万分之一。这一“用胶带撕出诺贝尔奖”的简单方法，颠覆了二维材料无法稳定存在的理论“预言”。

科学的边界往往在“不可能”与“可能”的交界处。随着单层石墨烯的发现，二维材料引领了凝聚态物理、材料科学等领域的系列突破性进展，并开创了基础研究和技术创新的二维新纪元。在过去20年中，二维材料家族迅速扩大，目前实验可获得的二维材料达数百种，理论预测的达近2000种。

这些二维材料逐渐从实验室的稀罕物变成产业界的香饽饽：在能源存储领域，二维材料的高比表面积和导电性可以显著提升电池性能；在生物医学领域，二维材料的生物相容性和光学特性推动新型诊疗技术发展；在电子器件领域，二维材料二硫化钼凭借其超高电子迁移率，被视为亚纳米制程芯片的候选材料。

中商产业研究院发布的《2025-2030年中国石墨烯行业调研分析及市场预测报告》显示，2024年中国石墨烯市场规模已经达到约411亿元。

从金箔技艺中获得灵感，范德华挤压技术使二维金属从“不可能”到“可能”

3月17日，在位于北京中关村的物理所实验室里，纳米物理与器件课题组成员们正在研究二维材料家族的新成员——二维金属。

“分子间作用力又称范德华力。此前，二维材料的研究大多是范德华层状材料，比如石墨烯、二硫化钼、二硫化钨等，这些材料是由一层一层的原子通过比较弱的范德华力结合在一起的。其基本单元是原子层，通过机械剥离等方法比较容易得到。”杜罗军向记者举例道，就像千层饼的每一层之间都有粘连，我们可以用手轻轻撕开完整的一层，而撕下来的这一层就成了二维材料。

纵观整个材料数据库，层状材料的占比非常小，97.5%以上都是非层状材料，比如生活中随处可见的金属。既然石墨烯等二维材料能通过机械剥离而得，那金属的二维化是否也能通过机械剥离的方法实现？

“不同于层状材料，金属由于每个原子通过‘强力胶水’也就是强的金属键相互作用四面八方紧紧相连，要想将其重塑为原子极限厚度的二维金属，就好比从压缩饼干中取出像千层饼那样完整的一层来一样，是极具挑战性的。”该课题组博士赵交交介绍，这是自己在攻读博士学位期间唯一的一项研究工作，他和老师同学们一起在探寻二维金属的路上奋斗了7年。

制备二维材料有很多不同方法。比如机械剥离法就像“撕胶带”，用胶带能从石墨中“揭开”单层石墨烯；而化学气相沉积法则通过高温“吹气”，在衬底上“绘制”出大面积均匀的二维薄膜。

制备二维金属适合哪种方法？赵交交回忆，“前期探索阶段就像在黑暗中前行，我们尝试了很多方法，比如把二维材料插入金属层，或者尝试像生长二硫化物那样直接在衬底上长出一层金属膜，但这些方法都失败了。”

直到有一天，研究人员从我国传统的金箔工艺上获得了灵感。运用“中华一绝”南京金箔锻制技艺锤打出来的金箔薄如蝉翼、软似绸缎，民间传说“一两黄金打出的金箔能盖一亩三分地”。千锤百炼出真金，团队决定尝试挤压的方式来研制二维金属。

“最终，我们研究出了范德华挤压技术——将加热熔化的金属液滴置于上下两层‘二硫化钼+蓝宝石’压砧（压砧是一种用于高压实验的设备部件）中间，通过外力挤压减薄并封装原子级厚度的二维金属薄膜。”赵交交介绍，如果把一块边长3米的金属立方块压成单原子层厚，将可以铺满整个北京市的地面。目前实验室已经成功制备单原子层的多种二维金属，包括铋、锡、铅、铟和镓，未来随着实验设备的升级，还将拓展至其他熔点更高的金属。

杜罗军清楚记得第一次与二维金属“见面”的场景。“当第一次测量出样品厚度在0.6纳米左右时，我们都很激动，因为这意味着可能成功制备出了二维金属。石墨烯的碳原子很小，其厚度大概是0.335纳米，而金属原子相对较大，0.6纳米的厚度已经非常薄。之后我们马上用原子力显微镜进行更精确的测量，看到不同金属原子层的厚度虽然有波动，但都处于原子层级别，当时的兴奋之情难以言表。”

用7年时间研究一项前无古人的开创性工作，背后的曲折故事自不消说。但在采访中，课题组成员们都表示“甘之如饴”。

“不能迷信所谓的‘不可能’。作为科研人员，我们愿意去做这种从0到1的探索，亲身进行全面深入的尝试。只要能把二维金属做出来，我们可以‘坐冷板凳’，无论是10年还是20年都不会动摇。我们都坚信，自己所从事的事业将带来未来产业链的革新，甚至可能推动整个人类文明向前发展。”中国科学院物理研究所研究员张广宇说。

二维金属有望带来超微型低功耗晶体管、高频器件、透明显示等领域的技术革新

虽然实验灵感来自金箔，但压制原子层厚度的金属膜和金箔制作相比还是有很大区别的。因为在金箔制作过程中，锤子表面有原子起伏，也就是“粗糙”的，无法达到原子级平整，因此打出来的金属也不可能实现真正意义上的“超薄”。

用什么材料挤压、用多大的力挤压，研究团队都经过了反复尝试。在实验室里，杜罗军给记者展示了两块手掌大小、状似玻璃的片状物：一片是透明的，另一片是黄绿色的。

“这两片其实都是蓝宝石，只是其中一片的表面覆盖了薄薄一层二硫化钼。”杜罗军介绍，“2022年左右，课题组在二硫化钼材料的研究上取得了很大进展，材料的质量和尺寸都有了提升。我们发现二硫化钼可以作为理想的压砧材料，于是开始用它尝试压制二维金属。”

二硫化钼和蓝宝石是挤压出二维金属的绝佳“拍档”，二者的结合可为二维金属的制备提供理想的范德华压砧。

在压制之前，科研人员会对蓝宝石进行处理，使其形成原子级平整的台阶（“原子台阶”是指原子按照特定的排列方式形成的一种楼梯状结构），再通过覆盖二硫化钼进一步弥补台阶，使其达到近乎百分之百的原子级平整。这样的结构能够保证在压制过程中金属受到均匀的压力。同时，二硫化钼作为范德华材料，与金属之间没有强化学键，只是通过很弱的范德华力结合，这样压制出来的二维金属能够保持其本真的物性，便于下一步研究和利用。

由于金属的活性很高，在空气中很容易被氧化。比如生活中常见的铝罐，表面都会形成一层肉眼看不见的纳米级氧化层，而金属内部的物性不会改变。氧化对于只有原子级厚度的二维金属来说是致命的，一旦被氧化，它就会失去其原本的特性。

“我们的制备方法有一个巧妙之处，就是在压制过程中，二维金属的上下都被二硫化钼封起来了，就像塑封照片一样，隔绝了空气，大大提高了其稳定性。”杜罗军介绍，研究团队对第一个制备的样品进行了长达一年的监测，目前没有发现其物性产生变化。

从三维到二维，金属的物性可能会发生极大变化，这也给相关学科研究带来新的课题。比如，二维金属的电导率比三维金属提高了一个量级；在光学激发下，出现了一些三维金属中没有的新的声子模式；在化学性质方面，也出现了全新的特性。

此外，从电子运动的角度来看，在三维金属中，电子可以在三个维度上移动，而在二维金属中，电子被局限在一个平面内，形成了二维电子气。二维电子气在量子霍尔效应、超导等领域都有重要的研究价值，可以帮助科学家探索一些在三维体系中无法实现的物理现象。

张广宇说：“原子极限厚度的二维金属有望带来超微型低功耗晶体管、高频器件、透明显示、超灵敏探测、极致高效催化等众多领域的技术革新。此外，范德华挤压技术为二维金属合金、非晶和其他二维非层状材料也提供了有效的原子级制造方案，为各种新兴的量子、电子和光子器件应用勾勒出美好愿景。”

研究所名片

中国科学院物理研究所是我国以物理学基础研究与应用基础研究为主的多学科、综合性研究机构。其研究方向以凝聚态物理为主，其中，超导、拓扑、纳米、表面、极端条件等多个学科走在世界科技最前沿，取得了多项具有国际影响力的重要科研成果。

目前，物理所拥有超导、表面物理、磁学等12个实验室，它们与国际量子结构中心、凝聚态物质科学数据中心、量子计算研究中心、应用物理中心、超快物质科学中心、清洁能源中心等共同构成了物理所的研究体系。