近期，中国科学院物理研究所张广宇研究员和杜罗军特聘研究员团队开发了一种名为“范德华挤压法”的原子制造新技术，成功制备出包括铋（Bi）、镓（Ga）、铟（In）、锡（Sn）和铅（Pb）在内的多种二维金属。
这项研究的突破在于将金属材料厚度推向了埃米（Å）级极限，相当于头发丝直径的二十万分之一。
这么薄的金属是一种什么概念呢？
张广宇给出了一个形象的比喻：“假如我们把 10 立方米的金属块压制成原子级厚度的二维金属薄片，其面积足以铺满整个北京城。”
这项研究成果具有重要的科学意义和应用价值：
一方面，填补了二维金属材料研究领域的空白，拓展了二维材料家族的种类；另一方面，为探索奇异物理性质及构筑未来新型电子器件和光子器件开辟了新方向。
审稿人评价该研究“开创了二维金属这一重要研究领域”“代表了二维材料研究领域的一个重大进展”。美国加州大学欧文分校桑切斯-山岸（Sanchez-Yamagishi）教授在Nature撰写 News & views 专栏评价该研究是“一个令人印象深刻的壮举”“实现了大面积真正的二维金属”。
（来源：课题组）
日前，相关论文以《埃米厚度极限二维金属的实现》（Realization of 2D metals at the ångström thickness limit）为题发表在Nature[1]。
中国科学院物理研究所赵交交博士是第一作者，张广宇和杜罗军担任共同通讯作者。
图丨相关论文（来源：Nature）
大道至简：“撕”出来的石墨烯，“挤”出来的二维金属
2004 年，英国物理学家康斯坦丁·诺沃肖洛夫（Konstantin Novoselov）和安德烈·海姆（Andre Geim）等人首次制备出稳定存在的、原子级厚度的单层石墨烯（graphene）[2]。
他们采用了简单的“胶带法”（机械剥离法），从石墨中“撕”出单层碳原子薄膜，不仅验证了其在常温常压下的稳定性，还探索了其新奇的电子输运特性。这一突破性发现颠覆了传统认知，也成为二人获得 2010 年诺贝尔物理学奖的核心工作之一。
从那之后，科学家们逐渐认识到二维材料家族的多样性，并陆续用胶带“撕”出多种新型二维材料，包括过渡金属硫族化合物（如 MoS2）、六方氮化硼（h-BN）、黑磷（Phosphorene）等。
这些二维材料多数是层状材料，其结构类似书本中的纸张，其特性表现为：层内原子间的相互作用强，而层间的相互作用相对较弱。正是这种特性使得剥离单层材料相对容易，这也是早期的二维材料多数能够实现大面积制备的重要原因。
就在领域内掀起石墨烯研究热潮时，2013 年，张广宇带领团队选择了一个“小众”的方向——二维半导体材料 MoS2 技术。
作为国内最早从事该方向的团队之一，他们不断深入优化实验方法，逐渐实现了从毫米级到 8 英寸高定向的单层 MoS2 晶圆，并将载流子迁移率提升至约 100cm²/V·s，为后续产业应用奠定了坚实的基础。
2015 年，该团队开始探索更具挑战性的二维金属研究，试图揭开这一领域的“神秘面纱”。然而，研究进展并不顺利。
图丨非层状结构的研究难点（来源：课题组）
二维金属是二维材料家族的一个“另类”，与其他层状材料不同的是，它更像是紧密结构堆积而成的木头块——每个原子都与其周围的原子形成强耦合，如同被“强力胶水”牢牢粘住。
这种结构使得单层金属的制备极其困难，因为金属原子在单层状态下极不稳定，稍有扰动就会重新聚集形成三维结构。
图丨单层二硫化钼封装的二维金属铋（来源：课题组）
就在课题组对二维金属制备方法“无从入手”时，MoS2 项目的研究经验带来了转机。彼时，该团队在单层 MoS2 的相关研究已接近极限，他们开始思考如何进一步提升其性能。一次实验中，研究人员尝试将两层 MoS2 插入金属并施加压力后，发现通过这种方法竟能形成稳定的单层金属结构。
这一现象让张广宇联想到工业金属锻造工艺，他提出一个关键设想：既然二维金属无法像石墨烯那样“撕”出来，是否可以通过高压将其“挤”出来？
（来源：Nature）
基于这一思路，研究人员开发了全新的“范德华挤压法”。该方法的核心在于利用两片单层 MoS2 覆盖的蓝宝石作为压砧，在高温高压下将熔融金属挤压成原子级厚度的薄膜。
具体流程包括三个关键步骤：首先，将金属粉末置于底部压砧上，加热至熔化形成液滴；然后，两片压砧逐渐靠近并在约 150MPa 的高压下挤压，将液态金属压平成薄膜；最后，缓慢冷却至室温后，通过机械剥离获得完全封装在 MoS2 中的二维金属。
该方法成功制备出多种超薄二维金属，如单层铋（厚度仅 6.3Å），以及镓、铟、锡和铅等，均达到 Å 级厚度。
图丨挤压装置的照片和示意图（来源：Nature）
为电子器件和功能材料领域的应用开辟全新可能
在该研究中，研究人员以单层铋为例，详细研究了其原子结构、光学和电子性质，初步发现了一系列突破传统认知的物理特性。这些发现为二维金属在电子器件和功能材料领域的应用开辟了全新可能。
在电学性能方面，研究团队重点考察了金属在原子级厚度下的导电特性。室温测试结果显示，单层铋的电导率高达 9.0×106S/m，相比块体铋（7.8×105S/m）提升了整整一个数量级。
“当首次观察到这一现象时，我们感到非常惊讶。因为根据常规理论预测，相关结果应该远低于实测数据。”张广宇表示。
图丨单层铋的原子结构（来源：Nature）
为了验证数据的可靠性，研究人员进行了长达数月的验证，通过多批次实验测量和文献数据比对，最终确认了这一超常电导率的真实性。这一突破性发现表明，二维金属有望成为新一代芯片互连材料的理想选择。
此外，研究人员还发现二维金属存在显著的电场效应。实验数据显示，通过施加栅极电压，单层铋的电阻变化可达 35%，远高于块体金属通常小于 1% 的水平。
这一特性使得全金属晶体管的研制成为可能，与现有硅基器件相比，这类晶体管在理论功耗和工作频率方面具有显著优势，也为开发新型逻辑电路和忆阻器提供了全新思路。
图丨单层铋的电学性质（来源：Nature）
在极端低温条件下（50mK），单层铋展现出约 0.22μm·S/V 的非线性霍尔电导率，这一数值比已报道的其他二维材料高出两个数量级。同时，封装样品的长期稳定性测试表明，单层铋在环境中可稳定存在至少一年，展现出优异的实用化前景。
除电子器件应用外，二维金属的多功能特性还展现出广阔的应用前景。
在传感检测领域，二维金属表面原子对分子接触的瞬时响应特性，使其在气体探测、环境监测等方面具有独特优势。这种超高灵敏度甚至可拓展至雷达探测等高端应用场景。
在柔性电子领域，与传统氧化铟锡电极相比，二维金属兼具原子级厚度、优异透光性和超高电导率，有望突破现有柔性显示技术的性能瓶颈。这一特性还使其在可穿戴设备、智能调光玻璃、新型光电器件等领域具有重要应用价值。
在催化科学方面，二维金属的高活性表面为其在能源转化、环境治理等领域的应用提供了新的可能性。
历届课题组成员十年间从 0 到 1 的“薪火相传”
张广宇研究员深受其博士导师王恩哥院士“做点不一样的，做点新的”学术思想的影响，并将这一理念确立为团队的核心指导思想。这项二维金属研究的成功，正是在一届届课题组成员十年的学术传承和不断探索中结下的硕果。
在研究初期，包括现任北京大学助理教授的卢晓波、南方科技大学副教授陈鹏以及即将担任浙江大学教授的汤建在内的多位课题组成员都曾尝试攻克这一难题，但均因技术瓶颈转向其他研究方向。
直到团队成员刘杰英和赵交交发现可以通过“压制”工艺将 MoS2 的材料性能显著提升，为课题研究带来了新的突破方向。杜罗军曾是团队的一员，他作为中国人民大学-中科院物理所联合培养博士，在芬兰阿尔托大学完成博士后研究后，于 2022 年重返张广宇团队，并加入了这项研究推动其更快发展。
图丨杜罗军（来源：课题组）
杜罗军表示：“当我还是博士生时，张老师始终鼓励我们多去尝试那些看似不可能的研究方向，尤其是‘从 0 到 1’的原创性工作。宁可失败了重新再来，也不去做跟风的研究。”如今，这种勇于探索未知的科研精神，已成为课题组代代相传的宝贵财富。
从学生到导师的身份转变也让杜罗军深有感触：“学生阶段要夯实专业基础，博士后阶段则需拓展学术视野，这种'先深度后广度'的培养模式对我们的成长至关重要。”
目前，课题组虽已在实验室成功制备出二维金属，样品尺寸达到百微米量级，较传统机械剥离法有显著提升，但这只是一个开始，距离实际应用仍有一定的距离。另外也需要看到，现有实验技术仅能制备原型器件至中试阶段，要实现产业化还需加强与工业界的深度合作。
图丨元素周期表（来源：资料图）
为此，研究人员未来的研究方向将聚焦于三个方向：一是突破毫米级大面积二维金属薄膜制备技术；二是深入探究二维金属的作用机理、物理特性和稳定性，实现“从 0 到 1”原创性突破；三是将研究体系从目前已实现的 5 种金属拓展至更多金属元素，以探索超导、磁性等新颖物理现象。
“元素周期表中 80% 以上元素都是金属元素，而金属材料占全球结构材料的 70% 以上。我们的研究只是揭开了二维金属的冰山一角，未来还有更广阔的空间值得继续探索。”张广宇表示。
参考资料：
1.Zhao, J., Li, L., Li, P. et al. Realization of 2D metals at the ångström 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：刘雅坤
