范德華擠壓技術普適制備埃米極限厚度二維金屬的示意圖。中國科學院物理研究所 供圖

  這些二維金屬的厚度僅僅是一張A4紙的百萬分之一,也即一根頭發絲直徑的20萬分之一?!叭绻岩粔K邊長3米的金屬塊壓成單原子層厚,將可以鋪滿整個北京市的地面。”張廣宇形象闡釋說。

  范德華擠壓制備的二維金屬上下均被單層二硫化鉬所封裝,具有非常好的環境穩定性(在超1年的實驗測試中無性能退化)和非成鍵的界面,有利于器件制備以探測二維金屬的本征特性。

  其電學測量表明,單層鉍的室溫電導率比塊體鉍的室溫電導率高一個數量級以上,同時,單層鉍展現出明顯的P型電場效應,其電阻可被柵壓調控達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提供了新思路。此外,范德華擠壓技術還能以原子精度控制二維金屬的厚度(即單層、雙層或三層),為揭示以前難以企及的層依賴特性提供了可能。

  有望推動人類文明下一階段的發展

  論文共同通訊作者、中國科學院物理研究所特聘研究員杜羅軍指出,此次原子極限厚度二維金屬的實現,不僅超越當前二維范德華層狀材料體系,補充了二維材料家族的一大塊拼圖,還有望衍生出各種宏觀量子現象,促進理論、實驗和技術的進步。比如,二維金屬既為材料理論研究提供一個理想的量子受限模型體系,也是實驗探索量子霍爾效應、二維超流/超導、拓撲相變等的絕佳載體。

  張廣宇則認為,就像三維金屬引領了人類文明的銅器、青銅和鐵器時代,原子極限厚度的二維金屬有望推動下一階段人類文明的發展,帶來超微型低功耗晶體管、高頻器件、透明/柔性顯示、超靈敏探測、極致高效催化等眾多領域的技術革新與應用。

  此外,范德華擠壓技術為二維金屬合金、非晶和其他二維非層狀材料也開辟了有效原子級制造方案,為各種新興的量子、電子和光子器件應用勾勒出美好愿景。

  至于本次研究多次提及的專業術語范德華擠壓,科研團隊科普稱,它和通俗理解的兩個平面對頂擠壓一樣,只是采用的壓砧為原子級平整且無懸掛鍵的范德華材料,這是實現二維金屬的核心技巧之一。人們通俗理解的兩個平面,比如玻璃,金剛石等,雖然看起來很平,但其原子尺度很粗糙,要制備二維金屬,必須用原子級平整的材料來壓。

  同時,從目前實現的結果來看,范德華擠壓能夠通過調控參數原子級精準地控制二維金屬的厚度,實現單層、雙層、三層,可以算原子級制造。

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