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2025年3月13日，来自中国科学院物理研究所北京凝聚态物理国家实验室、中国科学院大学物理科学学院以及松山湖材料实验室的赵娇娇、李璐、李沛轩等研究团队在《Nature》杂志（第639卷）发表了一项突破性研究，题为《在埃米厚度极限下实现二维金属》（”Realization of 2D metals at the ångström thickness limit”）。该研究开发了一种范德华（van der Waals, vdW）挤压方法，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材料，厚度均达到埃米级（ångström-scale）极限。

学术背景
二维材料因其独特的物理性质成为研究热点，但绝大多数已实现的二维材料局限于范德华层状晶体（vdW layered materials）。二维金属由于热力学不稳定性（thermodynamically unstable），其实现极具挑战性。传统方法如分子束外延（molecular beam epitaxy）或插层法（intercalation）制备的二维金属通常为纳米尺寸的不规则岛状结构，或与基底强键合，难以研究其本征性质。本研究旨在开发一种普适性方法，实现厚度达原子极限的大尺寸、高稳定性二维金属，并探索其新颖物理性质。

研究流程与实验方法
1. vdW挤压技术开发
- 设备设计：研究团队使用厘米级蓝宝石（c-face sapphire）作为挤压基座，表面外延生长单层二硫化钼（monolayer MoS2, ml-MoS2）作为”砧板”（anvil）。蓝宝石（~430 GPa）和ml-MoS2（~300 GPa）的高杨氏模量可承受高达200 MPa的压力。
- 工艺优化：将金属粉末（Bi、Ga、In、Sn、Pb纯度≥99.999%）置于底部砧板，加热至熔点形成液滴（温度范围100-400°C），随后在压力（120-150 MPa）下缓慢挤压（冷却速率~4小时），最终获得”蓝宝石/MoS2/二维金属/MoS2/蓝宝石”夹层结构。通过机械剥离（mechanical cleaving）获得MoS2封装的二维金属。

1. 材料表征

   • 形貌分析：原子力显微镜（AFM）证实二维金属厚度达到埃米级（Bi: 6.3 Å, Sn: 5.8 Å, Pb: 7.5 Å, In: 8.4 Å, Ga: 9.2 Å）。
     
   • 结构解析：高角环形暗场扫描透射电镜（HAADF-STEM）显示单层Bi为α相（α-phase Bi(110)），具有矩形晶格（a=5.03±0.03 Å, b=4.64±0.03 Å）。选区电子衍射（SAED）证实材料的单晶性，X射线衍射（XRD）验证晶格参数与理论计算一致。
     

2. 物理性质测量

   • 电学性能：构建霍尔棒器件（hall bar device），以六方氮化硼（hBN）为栅极介电层。研究发现：
     
     • 单层Bi在室温下电导率达9.0×10^6 S/m，比块体Bi（7.8×10^5 S/m）高一个数量级。
       
     • 在50 K以上呈现线性温度依赖关系，符合金属的电子-声子散射机制。
       
     • 栅压调控下表现出35%的电阻变化（-40 V至40 V），远高于块体金属的%。
       
   • 非线性霍尔效应：在50 mK下观测到巨大的非线性霍尔电导率（σxy^(2ω)≈0.22 μm·S/V），比WTe2等材料高两个数量级，源自Berry曲率偶极（Berry curvature dipole, BCD）贡献。
     
   • 声子模式：拉曼光谱发现单层Bi出现新声子模式（~104 cm^-1，标记为A’ mode），其强度随层数增加而减弱。
     

主要结果与逻辑关联
1. 结构稳定性：理论计算表明，MoS2封装的α-Bi(110)比β-Bi(111)更稳定（形成焓更低），这与实验观测的单晶衍射结果一致。
2. 尺寸效应：缓慢冷却制备的单层Bi尺寸>100 μm，远超传统方法（~1 μm），归因于vdW挤压的均匀应力分布。
3. 性能突破：完全封装避免了氧化，使二维金属在环境中稳定存在超过1年，为器件应用奠定基础。

结论与价值
该研究首创的vdW挤压方法为二维金属、合金及其他非vdW材料提供了普适性制备路径。单层Bi展现的新声子模式、增强电导率、显著栅压效应和巨大非线性霍尔效应，为量子器件、全金属晶体管（all-metallic transistors）和拓扑电子学开辟了新方向。方法的可扩展性（cm级制备）和材料多样性（5种金属验证）具有重要产业应用潜力。

研究亮点
1. 方法创新：vdW挤压技术首次实现埃米级厚度二维金属的宏量制备，突破传统外延或插层法的尺寸限制。
2. 物理发现：α-Bi单层中观测到理论预测的BCD增强效应，为非线性霍尔材料设计提供新平台。
3. 技术通用性：适用于高对称性金属（如Pb、Sn），拓展了二维材料家族至非vdW体系。

其他价值
研究还揭示了冷却速率对晶粒尺寸的影响（快速冷却导致 μm晶粒），为调控二维金属缺陷密度提供了工艺依据。拉曼光谱中A’模与层数的线性关系可发展为厚度标定方法。