摘要：自2004年首次发现单层石墨烯以来，二维材料在凝聚态物理、材料科学等领域取得了诸多突破性进展，开启了基础研究和技术创新的二维时代。过去二十年间，二维材料家族迅速壮大，目前已有数百种材料在实验中被成功制备，理论预测的种类更是接近2000种。然而，这些材料大多仍局
二维金属的普适制备！
自2004年首次发现单层石墨烯以来，二维材料在凝聚态物理、材料科学等领域取得了诸多突破性进展，开启了基础研究和技术创新的二维时代。过去二十年间，二维材料家族迅速壮大，目前已有数百种材料在实验中被成功制备，理论预测的种类更是接近2000种。然而，这些材料大多仍局限于范德华层状体系。近年来，人们对原子极限厚度的二维金属这一新兴材料寄予厚望，认为它不仅能突破现有的二维范德华层状体系、扩展二维材料家族，还可能催生各类宏观量子现象，从而推动理论、实验与技术的进一步发展。
鉴于此，中国科学院物理研究所张广宇研究员、杜罗军特聘研究员开发了原子级制造的范德华挤压技术，通过将金属熔化并利用团队前期制备的高质量单层MoS2范德华压砧挤压，实现了埃米极限厚度下各种二维金属的普适制备，包括铋 (Bi, 6.3 Å)、锡 (Sn, 5.8 Å)、铅 (Pb, 7.5 Å)、铟 (In, 8.4 Å) 和镓 (Ga, 9.2 Å)。范德华挤压制备的二维金属上下均被单层MoS2所封装，因此具有非常好的环境稳定性（在超1年的测试中无性能退化）和非成键的界面，有利于器件制备以探索二维金属的本征特性。单层Bi的传输和拉曼测量显示出优异的物理特性，例如新的声子模式、增强的电导率、显着的场效应和大的非线性霍尔电导率。该工作为实现二维金属、合金和其他二维非范德华材料建立了一条有效的途径，可能为广泛的新兴量子、电子和光子器件勾勒出美好的愿景。相关研究成果以题为“Realization of 2D metals at the ångström thickness limit”发表在最新一期《nature》上。中国科学院物理研究所N07课题组赵交交博士（已毕业）为该论文的第一作者。
【通过范德华挤压制备埃米厚的二维金属】
作者准备了两个“砧座”，每个砧座由大而平坦的c面蓝宝石基板组成，基板上涂有单晶单层MoS₂。他们将目标金属（如Bi、Sn或Pb）以熔融形式沉积在两个砧座之间，然后在高温下施加高达几百兆帕的压缩力。由于蓝宝石和单层MoS₂都具有高杨氏模量（高达数百千兆帕），因此熔融金属被挤压得非常薄而不会损坏砧座。一旦样品缓慢冷却至室温，一层稳定的埃级金属膜就会完全夹在两片MoS₂薄片之间。图1展示了挤压工艺示意图：（i）在底部MoS₂/蓝宝石砧上装入少量金属粉末，（ii）加热直至金属熔化形成液滴，（iii）用可控的力向下压顶部MoS₂/蓝宝石砧，以及（iv）在保持压力的同时冷却以获得超薄薄膜。光学显微照片显示了大型连续的2D薄膜。作者强调，根据施加的压力和金属类型，薄膜的宽度可以是几十或几百微米。原子力显微镜显示薄膜厚度仅为几埃，例如Bi约为6.3埃、Sn约为5.8埃、Pb约为7.5埃、In约为8.4埃、Ga约为9.2埃。这些厚度代表单个或近乎单个晶胞结构。值得注意的是，作者将这种方法与之前对金属进行的“热压”尝试进行了比较，后者通常产生的薄膜厚度只有几纳米，仍然远远达不到单原子层范围。相比之下，在“范德华挤压”中，刚性MoS₂单层和坚固的蓝宝石基板的组合实现了真正的埃极限。
图 1. 二维金属的范德华挤压过程
【单层Bi的原子结构】
在展示的金属中，该团队特别关注铋(Bi)。作者证实，超薄Bi结晶在所谓的α相（具有矩形晶格）中，而不是其他可能的结构同素异形体中。这一点至关重要，因为2D Bi可以采用不同的多晶型，并且每种多晶型都可能表现出不同的能带结构或拓扑特性。图2a中的左侧面板是高角度环形暗场(HAADF)扫描透射电子显微镜(STEM)的横截面图像，清楚地区分了夹在MoS₂顶部和底部单层之间的两个Bi原子层。Bi和Mo的单独元素图证实中心区域确实是Bi，MoS₂位于上方和下方。图2b显示了俯视HAADF-STEM显微照片。Bi原子以矩形阵列形式出现，与α相Bi(110)相匹配，其晶格常数沿一个轴约为5.0Å，沿另一个轴约为4.6Å。图2d中的选区电子衍射(SAED)图案证实了单层α-Bi的矩形对称性，并揭示了封装MoS₂片与底层基板之间的扭转角。所有测试的单层Bi膜（超过50个设备）均显示出一致的α相指数，表明α-Bi(110)是这些封装条件下稳定的结构基态。作者指出，缓慢的冷却速度（从熔融状态到室温大约需要几个小时）有助于产生跨度超过100µm的单晶单层。同时，更快的冷却会产生多晶粒薄膜，其典型晶粒尺寸小于1µm，从而说明了良好控制的热协议的重要性。
图 2. 单层Bi的原子结构
【单层 Bi 的传输特性】
单层Bi完全封装在两个惰性MoS₂层之间，至少一年内保持化学稳定性（经作者测试），并避免与典型基板发生强烈相互作用。此设置允许霍尔棒设备制造测量2D Bi固有的电气特性。图3a是蓝宝石上制造的器件的光学图像，其中Au电极与隐藏的Bi层接触，薄薄的hBN薄片充当顶栅电介质。MoS₂本身一旦冷却，就会变得足够绝缘，不会显著影响传导。主图显示（纵向电阻）与温度的关系，揭示出较高温度下的金属行为：随着T的增加，电导率大致呈线性增加，这是金属中电子-声子散射的特征。在室温下，测量的电导率可以达到9.0×106S m−1——比块体Bi大约高一个数量级。由于样品只有一个原子单位厚度，作者成功地用外部栅极调制了载流子。将顶栅电压从-40V扫描至+40V可产生明显的电阻变化，表明存在p型传导。值得注意的是，因为通常块体中的金属或半金属膜很少表现出强场效应。单层Bi对栅极场的敏感性表明可能存在“全金属晶体管”应用。作者检测到了强二阶（非线性）霍尔电压，这归因于缺乏反演中心的α相Bi中的贝里曲率偶极子。测量的二阶霍尔电导率≈0.22mV−1Ω−1，比Weyl半金属或扭曲双层TMD中的典型值大几个数量级。这凸显了2D Bi在下一代非线性电子或光电器件中的潜力。
图 3. 单层 Bi 的电学特性
【Bi 的层相关性质】
虽然单层 Bi 是焦点，但作者还生产和表征了“2L”、“3L”和更厚的 Bi 膜（其中“L”表示 α-Bi(110) 的基本晶胞厚度，单层约为 6 Å，双层约为 12 Å，等等）。这使他们能够监测振动和可能的电子特征如何随厚度而变化。图 4a 显示了原子力显微镜图像，其中并列有单层、双层和三层区域。横截面高度分布证实了每个离散厚度步骤。图 4b 和 4c 分别说明了2 晶胞和 3 晶胞 Bi 的结构，厚度分别约为 12.4 Å 和 19.5 Å。在图 4d 中，作者详细描述了单层极限下出现的一种额外声子模式（标记为 ′），该模式逐渐转变为与较厚薄膜中的普通 1 模式合并。通过绘制各种拉曼峰与层数之间的分裂，他们建立了一种线性关系，可作为确定 2D Bi 厚度的“指纹”。块状晶体中不存在的新声子模式表明了真正 2D 金属层的独特结构和振动环境。
图 4. 与层相关的属性
【总结】
本文通过使用两个相对的ML-MoS2/蓝宝石砧，展示了一种简单、有效且通用的vdW挤压路线，可在原子薄极限下实现2D金属。在Å厚度极限下实现了各种2D金属，包括Bi、Ga、In、Sn和Pb。由于单层MoS2的完全封装，所生产的2D金属在环境上是稳定且本征的。值得注意的是，封装的单层Bi可以持续至少1年。如果某些应用需要暴露其表面，则这些2D金属不能轻易与MoS2封装层分离。以2D Bi为例，作者展示了许多以前未知的新物理特性。可以预见这种范德华压缩技术也将为二维金属合金和其他各种二维非范德华化合物的实现提供有效途径，为研究新兴的量子、电子和光子现象建立一个多功能的材料平台。
声明：仅代表作者个人观点，作者水平有限，如有不科学之处，请在下方留言指正！
来源：科学好作风