全球首次 松山湖团队实现大面积二维金属材料制备
在材料制备的极限领域，东莞松山湖科学城又一次实现新突破。记者昨日从东莞松山湖获悉，中国科学院物理研究所、松山湖材料实验室张广宇科研团队，近日成功研制出厚度仅为头发丝直径的二十万分之一的单原子层金属，这是国际上首次实现大面积二维金属材料的制备，开创了二维金属研究新领域。该成果于近期在国际学术期刊《自然》发表，国际审稿人一致认为该工作“开创了二维金属这一重要研究领域”“代表二维材料研究领域的一个重大进展”。
相比于三维材料，二维材料具有独特的物理性质，吸引了众多科学家的关注。自2004年石墨烯被发现以来，科学家已制备出数百种二维材料，但大多为层状结构，而金属等非层状材料因原子间强金属键的束缚，无法像石墨烯材料一样轻易被撕成“千层饼”，这一差异使得金属的二维化一度被视为材料科学领域“不可能实现”的难题。
而张广宇研究员带领团队，在全球首次实现原子极限厚度二维金属的大面积普适制备，填补了二维材料家族中长期缺失的金属成员空白。该团队创新性发展了原子级制造的范德华挤压技术，利用蓝宝石衬底上生长的单层二硫化钼作为“压砧”，将金属熔化后置于两片压砧之间，施加数百兆帕的高压，金属原子在极端压力下重构为单层结构，同时上下两层二硫化钼完全包裹二维金属，使其可在空气中稳定存在超1年。通过这一技术，团队成功制备出铋、锡、铅等5种二维金属。
实际上，该团队对于二维金属材料的研究前后历时近10年。破题的契机，其实来自另一项工作的进展，2020年左右张广宇团队在单层二硫化钼晶圆制备上取得重要突破，为二维金属材料的创新制备提供了新的思路和工具。“有了高质量、原子级平整的二硫化钼样品，才允许我们做这方面的尝试，之后才顺利实现了二维金属的制备。”张广宇如是表示。“现在再回头去看，实际上过程中走了非常多的弯路，问题解决的方式实际上简单到出乎意料。”他说，包括《自然》杂志编辑和相关领域专家也都十分惊讶，“认为我们通过low-tech（传统手段）的实验方法克服了最难的技术点”。值得一提的是，出于节约成本、提升适用性的考虑，最终相当一部分设备也由团队自己设计制作。
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。在张广宇看来，下一个十年将是二维材料产业迎来快速发展的爆发期，而且很可能是原创基础研究、应用技术、产业化等多点爆发。张广宇表示，下一步团队将对更多的金属材料展开研究，深入了解发现更多的物理特性，也希望未来能有更多人参与进来，尽快探索弄清楚这一“宝库”的秘密。
文、图/广州日报新花城记者：马骏 通讯员：松湖广州日报新花城编辑：蔡冬庆