圖:中國科學院物理研究所研究員張廣宇(左二)與研究團隊成員進行討論。\視頻截圖
神話傳說中「重塑金身」的故事流傳已久,如同《哪吒2》電影中哪吒以蓮藕重塑肉身,現(xiàn)代科學家們也在執(zhí)著探索一個極為相似的課題,給材料「重塑金身」,引領材料創(chuàng)新產(chǎn)業(yè)革命。近期,中國科學院物理研究所的科研團隊,成功為金屬「重塑金身」,實現(xiàn)了厚度僅為頭髮絲直徑的二十萬分之一的單原子層金屬,將三維的金屬「降維」到二維,有望開創(chuàng)二維金屬研究新領域?!冈訕O限厚度的二維金屬有望推動下一階段文明的發(fā)展,帶來超微型低功耗晶體管、高頻器件、透明顯示、超靈敏探測、極致高效催化等眾多領域的技術革新」,中國科學院物理研究所研究員張廣宇說。\大公報記者 劉凝哲北京報道
前述中國科學院物理研究所的科研成果,近期以「埃米厚度極限二維金屬的實現(xiàn)」為題發(fā)表在國際學術期刊《自然》上。張廣宇表示,我們生活中所見的各種金屬,具有長、寬、高等三個維度,屬於三維金屬。如果金屬高度降低至只有一個或者幾個原子層厚度(也就是頭髮絲直徑20萬分之一量級),這時高度維度可忽略,只有長和寬兩個維度,那就是二維金屬。
專家介紹,自2004年單層石墨烯發(fā)現(xiàn)以來,二維材料極大顛覆了人類對材料的原有認知,並引領了凝聚態(tài)物理、材料科學等領域的系列突破性進展,開創(chuàng)了基礎研究和技術創(chuàng)新的二維新紀元。金屬由於每個原子在任意方向均和周圍原子有強的金屬鍵相互作用(類似壓縮餅乾),要想將其重塑為原子極限厚度的二維金屬,就好比從壓縮餅乾中剝出像千層餅那樣完整的一層來一樣,是極具挑戰(zhàn)性的。
二維金屬環(huán)境穩(wěn)定性良好
面對如何獲得二維金屬的挑戰(zhàn),最近張廣宇帶領團隊發(fā)展了原子級製造的范德華擠壓技術,通過將金屬熔化並利用團隊前期製備的高質(zhì)量單層MoS2范德華壓砧擠壓,實現(xiàn)了原子極限厚度下各種二維金屬的普適製備。
范德華擠壓製備的二維金屬上下均被單層MoS2所封裝,具有非常好的環(huán)境穩(wěn)定性和非成鍵的界面,有利於器件製備以探測二維金屬的本徵特性。這些二維金屬的厚度僅僅是一張A4紙的百萬分之一,是一根頭髮絲直徑的二十萬分之一。如果把一塊邊長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。
首次實現(xiàn)大面積製備 性能無退化
針對這是否是在國際上首次實驗獲得二維金屬,專家表示,儘管過去實驗中觀察到了一些非常薄的金屬材料,但橫向尺寸面積很小,從納米材料的定義來看,這些材料應該算零維,而不是二維材料。以前小尺寸的薄層金屬,是非常不穩(wěn)定的。這次是首次實現(xiàn)大面積二維金屬材料的製備,首次實現(xiàn)了環(huán)境穩(wěn)定的二維材料,一年沒有任何性能退化。
對此,國際審稿人一致給予高度評價,認為該工作:「開創(chuàng)了二維金屬這一重要研究領域」;「代表二維材料研究領域的一個重大進展」。