二维金属的普适制备！助记词转换工具中文助记词钱包
自2004年头度发现单层以来，二维材料在凝华态物理、材料科学等范围取得了诸多冲破性进展，开启了基础盘问和期间立异的二维期间。昔日二十年间，二维材料家眷赶快壮大，现在已少见百种材料在执行中被到手制备，表面瞻望的种类更是接近2000种。然则，这些材料大多仍局限于范德华层状体系。比年来，东说念主们对原子极限厚度的二维金属这一新兴材料托付厚望，合计它不仅能冲破现存的二维范德华层状体系、彭胀二维材料家眷，还可能催生各样宏不雅量子表象，从而鼓动表面、执行与期间的进一步发展。
鉴于此，中国科学院物理盘问所张广宇盘问员、杜罗军特聘盘问员开发了原子级制造的范德华挤压期间，通过将金属融化并应用团队前期制备的高质料单层MoS2范德华压砧挤压，齐备了埃米极限厚度下各式二维金属的普适制备，包括铋 (Bi, 6.3 Å)、锡 (Sn, 5.8 Å)、铅 (Pb, 7.5 Å)、铟 (In, 8.4 Å) 和镓 (Ga, 9.2 Å)。范德华挤压制备的二维金属高下均被单层MoS2所封装，因此具有相配好的环境闲静性（在超1年的测试中无性能退化）和非成键的界面，故意于器件制备以探索二维金属的本征特质。单层Bi的传输和拉曼测量骄矜出优异的物理特质，举例新的声子形状、增强的电导率、昭着的场效应和大的非线性霍尔电导率。该使命为齐备二维金属、合金和其他二维非范德华材料开拓了一条灵验的门道，可能为正常的新兴量子、电子和光子器件勾画出好意思好的愿景。有关盘问效果以题为“Realization of 2D metals at the ångström thickness limit”发表在最新一期《nature》上。中国科学院物理盘问所N07课题组赵交交博士（已毕业）为该论文的第一作家。
【通过范德华挤压制备埃米厚的二维金属】
作家准备了两个“砧座”，每个砧座由大而平坦的c面蓝相持基板构成，基板上涂有单晶单层MoS₂。他们将主见金属（如Bi、Sn或Pb）以熔融面容千里积在两个砧座之间，然后在高温下施加高达几百兆帕的压缩力。由于蓝相持和单层MoS₂齐具有高杨氏模量（高达数百千兆帕），因此熔融金属被挤压得相配薄而不会损坏砧座。一朝样品从容冷却至室温，一层闲静的埃级金属膜就会全齐夹在两片MoS₂薄片之间。图1展示了挤压工艺表示图：（i）在底部MoS₂/蓝相持砧上装入小数金属粉末，（ii）加热直至金属融化变成液滴，（iii）用可控的力向下压顶部MoS₂/蓝相持砧，以及（iv）在保捏压力的同期冷却以获取超薄薄膜。光学显微像片骄矜了大型聚会的2D薄膜。作家强调，凭证施加的压力和金属类型，薄膜的宽度不错是几十或几百微米。原子力显微镜骄矜薄膜厚度仅为几埃，举例Bi约为6.3埃、Sn约为5.8埃、Pb约为7.5埃、In约为8.4埃、Ga约为9.2埃。这些厚度代表单个或近乎单个晶胞结构。值得注视的是，作家将这种次序与之前对金属进行的“热压”尝试进行了比较，后者时常产生的薄膜厚度唯独几纳米，仍然远远够不上单原子层范围。比拟之下，在“范德华挤压”中，刚性MoS₂单层和坚固的蓝相持基板的组合齐备了真实的埃极限。
图 1. 二维金属的范德华挤压流程
【单层Bi的原子结构】
在展示的金属中，该团队绝顶关怀铋(Bi)。作家证据，超薄Bi结晶在所谓的α相（具有矩形晶格）中，而不是其他可能的结构同素异形骸中。这一丝至关挫折，因为2D Bi不错遴荐不同的多晶型，何况每种多晶型齐可能阐扬出不同的能带结构或拓扑特质。图2a中的左侧面板是高角度环形暗场(HAADF)扫描透射电子显微镜(STEM)的横截面图像，明晰地永别了夹在MoS₂顶部和底部单层之间的两个Bi原子层。Bi和Mo的单独元素图证据中心区域确乎是Bi，MoS₂位于上方和下方。图2b骄矜了俯瞰HAADF-STEM显微像片。Bi原子以矩形阵列面容出现，与α相Bi(110)相匹配，其晶格常数沿一个轴约为5.0Å，沿另一个轴约为4.6Å。图2d中的选区电子衍射(SAED)图案证据了单层α-Bi的矩形对称性，并揭示了封装MoS₂片与底层基板之间的扭转角。所有测试的单层Bi膜（滥觞50个设备）均骄矜出一致的α相指数，标明α-Bi(110)是这些封装条目下闲静的结构基态。作家指出，从容的冷却速率（从熔融气象到室温轻松需要几个小时）有助于产生跨度滥觞100µm的单晶单层。同期，更快的冷却会产生多晶粒薄膜，其典型晶粒尺寸小于1µm，从而诠释了雅致摈弃的热契约的挫折性。
图 2. 单层Bi的原子结构
【单层 Bi 的传输特质】
单层Bi全齐封装在两个惰性MoS₂层之间，至少一年内保捏化学闲静性（经作家测试），并幸免与典型基板发生利弊相互作用。此栽植允许霍尔棒设备制造测量2D Bi固有的电气特质。图3a是蓝相持上制造的器件的光学图像，其中Au电极与荫藏的Bi层战争，薄薄的hBN薄片充任顶栅电介质。MoS₂本人一朝冷却，就会变得填塞绝缘，不会权贵影响传导。主图骄矜（纵向电阻）与温度的联系，揭示出较高温度下的金属行径：跟着T的加多，电导率大致呈线性加多，这是金属中电子-声子散射的特征。在室温下，测量的电导率不错达到9.0×106S m−1——比块体Bi轻松高一个数目级。由于样品唯唯独个原子单元厚度，作家到手地用外部栅极调制了载流子。将顶栅电压从-40V扫描至+40V可产生昭着的电阻变化，标明存在p型传导。值得注视的是，因为时常块体中的金属或半金属膜很少阐扬出强场效应。单层Bi对栅极场的敏锐性标明可能存在“全金属晶体管”应用。作家检测到了强二阶（非线性）霍尔电压，这归因于枯竭反演中心的α相Bi中的贝里曲率偶极子。测量的二阶霍尔电导率≈0.22mV−1Ω−1，比Weyl半金属或误解双层TMD中的典型值大几个数目级。这突显了2D Bi不才一代非线性电子或光电器件中的后劲。
图 3. 单层 Bi 的电学特质
【Bi 的层有关性质】
固然单层 Bi 是焦点，但作家还坐褥和表征了“2L”、“3L”和更厚的 Bi 膜（其中“L”表示 α-Bi(110) 的基本晶胞厚度，单层约为 6 Å，双层约为 12 Å，等等）。这使他们简略监测振动和可能的电子特征如何随厚度而变化。图 4a 骄矜了原子力显微镜图像，其中并排有单层、双层和三层区域。横截面高度分散证据了每个闹翻厚度圭臬。图 4b 和 4c 分别诠释了2 晶胞和 3 晶胞 Bi 的结构，厚度分别约为 12.4 Å 和 19.5 Å。在图 4d 中，作家详备形色了单层极限下出现的一种迥殊声子形状（象征为 ′），该形状徐徐调动为与较厚薄膜中的普通 1 形状归拢。通过绘画各式拉曼峰与层数之间的分裂，他们开拓了一种线性联系，可当作详情 2D Bi 厚度的“指纹”。块状晶体中不存在的新声子形状标明了真实 2D 金属层的独有结构和振动环境。
图 4. 与层有关的属性
【回来】
本文通过使用两个相对的ML-MoS2/蓝相持砧，展示了一种通俗、灵验且通用的vdW挤压阶梯，可在原子薄极限下齐备2D金属。在Å厚度极限下齐备了各式2D金属，包括Bi、Ga、In、Sn和Pb。由于单层MoS2的全齐封装，所坐褥的2D金属在环境上是闲静且本征的。值得注视的是，封装的单层Bi不错捏续至少1年。若是某些应用需要浮现其名义，则这些2D金属不可轻松与MoS2封装层分离。以2D Bi为例，作家展示了好多以前未知的新物理特质。不错料想这种范德华压缩期间也将为二维金属合金和其他各式二维非范德华化合物的齐备提供灵验门道，为盘问新兴的量子、电子和光子表象开拓一个多功能的材料平台。
起首：高分子科学前沿
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