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自2004年單層石墨烯發(fā)現(xiàn)以來，二維材料引領(lǐng)了凝聚態(tài)物理、材料科學(xué)等領(lǐng)域的系列突破性進(jìn)展，開創(chuàng)了基礎(chǔ)研究和技術(shù)創(chuàng)新的二維新紀(jì)元。在過去20年中，二維材料家族迅速擴(kuò)大，目前實(shí)驗(yàn)可獲得的二維材料達(dá)數(shù)百種，理論預(yù)測的更是近2000種。然而，這些二維材料基本局限在范德華層狀材料體系。原子薄極限的二維金屬是近年來科研人員孜孜以求的新興二維材料，它的實(shí)現(xiàn)可以超越當(dāng)前二維范德華層狀材料體系，拓寬二維材料家族，有望演生出各種宏觀量子現(xiàn)象，促進(jìn)理論、實(shí)驗(yàn)和技術(shù)的進(jìn)步。但不同于范德華層狀材料，金屬是高度對稱的非范德華材料，各向同性且強(qiáng)的金屬鍵導(dǎo)致二維金屬的制備頗具挑戰(zhàn)。在過去幾年中，科學(xué)家為實(shí)現(xiàn)二維金屬做出了大量努力，但未能在原子薄極限下實(shí)現(xiàn)大尺寸和本征的二維金屬。

針對上述挑戰(zhàn)，中國科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家研究中心科研人員提出了原子級制造的范德華擠壓技術(shù)，通過將金屬熔化并利用團(tuán)隊(duì)前期制備的高質(zhì)量單層MoS₂范德華壓砧擠壓，實(shí)現(xiàn)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?）。范德華擠壓制備的二維金屬上下均被單層MoS₂封裝，具有優(yōu)異的環(huán)境穩(wěn)定性（在超1年的測試中無性能退化）和非成鍵的界面，利于器件制備以探索二維金屬的本征特性。電學(xué)測量表明，單層鉍的電導(dǎo)率隨著溫度的降低近線性增加，表現(xiàn)出經(jīng)典金屬行為，室溫電導(dǎo)率可達(dá)~9.0×10⁶S/m，比塊體鉍的室溫電導(dǎo)率（~7.8×10⁵S/m）高一個數(shù)量級以上。并且，單層鉍展現(xiàn)出明顯的P型電場效應(yīng)，其電阻可被柵電壓調(diào)控達(dá)35%（塊體金屬通常小于1%），為低功耗全金屬晶體管和高頻器件闡明了可能。同時，范德華擠壓技術(shù)能夠以原子精度控制二維金屬的厚度即單層、雙層或三層，為揭示此前難以企及的新奇層贗自旋特性提供了可能。

該研究發(fā)展的范德華擠壓技術(shù)為二維金屬、合金以及其他二維非范德華材料開辟了有效的原子級制造方案。

3月12日，相關(guān)研究成果發(fā)表在《自然》（Nature）上。審稿人高度評價這一成果：“開創(chuàng)了二維金屬這一重要研究領(lǐng)域” “代表二維材料研究領(lǐng)域的一個重大進(jìn)展”。研究工作得到國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金、中國科學(xué)院相關(guān)項(xiàng)目、廣東省基礎(chǔ)與應(yīng)用基礎(chǔ)研究重大項(xiàng)目等的支持。

論文鏈接

范德華擠壓技術(shù)普適制備埃米極限厚度二維金屬