杜罗军：当科幻照片进入现实时，三维世界 “二向箔”

在《三体》中，你是否被降维攻击？ "二向箔" 震撼？现在，中国科学家把科幻变成了现实！这是一个神奇的 "二向箔"—— 二维材料正在掀起科学研究和技术创新的热潮。共同见证科技的奇迹，打开未来科技的神奇之门！

杜罗军

中国科学院物理研究所 特聘研究员 博士生导师

我是杜罗军，来自中国科学院物理研究所。所以今天就和大家聊聊二向箔，这样一个既科幻又前沿的问题。首先，让我们看一个简短的视频。众所周知，《三体》是一部很科幻的小说。其中有一种武器叫做二向箔。它是一种常规的高等文明清理低等文明的武器。我们可以看到它很薄，很透明，但它很强大。它能使我们的地球，这个三维文明进行二维化。你们要逃避它的打击，基本上你们要达到光速。那就是二向箔。

二向箔真的能出现在我们的三维世界里吗？二向箔出现了怎么办？如果你想回答这么简单的问题，我们先来看看我们的物质。它由原子组成。那么原子就是我们构成这种三维世界物质的基本单位。也许每个人都会知道有比原子小的东西，比如夸克和中子，但是这些东西首先需要构成原子。

让我们先看看这样一张图片，如果我们顺着原子走。 xyz 将三个方向排列，那么它就能形成一个具有一定长度、一定总宽度、一定高度的物体。但如果我们做一个极限考虑，高度方向只有一个原子层，那么这个物体一定是我们三维世界中最薄的物质之一。那么这个原子层大概有多厚？我们一张 A4 这张纸已经很薄了，大概是我们的一张。 A4 一百万分之一的纸张。所以从我们的一个现实世界来看，这个物体可以称得上是我们三维世界的一个二向箔。所以在学术界，我们有一个术语叫做二维材料。

能否实现只有单个原子层厚度的样品或一种材料？事实上，这一想法很早就被探索出来了。例如早在 1859 2008年，我们有人试图得到这种材料，当然一定是失败了。大概就是 1937 2008年，我们著名的科学家 Landau 和 Peierls，于是他从理论上指出，这种二维材料在我们的三维世界里是不可能出现的。事实上，它给我们整个世界带来了巨大的打击。但一种突破性的发觉，大概就是 2004 2008年，两位俄罗斯科学家，他在英国曼切斯特大学，一种特别简单的方法，就是通过胶带。众所周知，这是一种由一层层原子组成的三维石墨。她们用胶带把石墨放进胶带里撕了两下，你就能把石墨烯单层的一层材料撕掉。这也许是我们世界上第一个真正的二维材料。因为这一突破性的发现，六年后我们获得了诺贝尔物理学奖。事实上，我们每个人都用铅笔写字。当你写字时，你可以得到这份材料，但你没有找到它。这打开了我们二维世界的大门。

我选择了一些很有代表性的例子。从上面可以看出，在过去的20年里，这种二维材料基本上引领了我们凝聚物理和材料科学的一系列突破性进展，为我们的基础研究和技术创新开辟了一个新的二维时代。事实上，我们再来看看应用方面，它可以构建一些具有很大颠覆性功能的产品。正如我们现在知道的那样，我们的芯片-硅基，随着尺寸的微缩，它基本上达到了摩尔定律的极限。二维材料可以解决硅基的微缩瓶颈，然后构建亚纳米集成电路。与此同时，我们可以知道一个比较厚的样品，比如一本书，你想要弯曲还是比较困难的。所以如果你撕掉一张纸，你就很容易弯曲。当一个物体达到原子级厚度时，它可以随意弯曲，所以你可以构建一些高性能的软性集成电路，比如电子皮肤，来监测我们人类的健康。

第三，这种二维材料也可以在第三维度下叠放，因此可以构建一些三维集成。这个例子只是举了几个有代表性的例子，它实际上在一些颠覆性的产品中有许多应用。20多年来，除了石墨烯，其实现在还发现了许多很多的二维材料。正如我们除了石墨烯之外，还有二硫化钼、氮化硼等等，理论上它可能有 2000 多种。然而，这些二维材料主要类似于这种石墨，它是由一层层的原子组成的，所以它就像一本书，一页一页地组成。事实上，大多数材料都不是这样的结构，97% 上述材料都不是片层材料。

所以一个有代表性的例子就是金属。让我们先看看周期表，它基本上占据了它。 80% 以上。在人类的整个发展过程中，我们的许多历史文明都是以金属命名的，比如铜时代，铁时代。对这种非片层材料而言，它的每个原子都与它周围的原子有关。 360 没有死角的莲藕合在一起。像这样的材料，那么我们可以对它进行二维化吗？那是我们尝试做二维金属的初衷，也就是说，我们希望把不可能的事情变成可能！

让我们回到第一篇关于二维材料的文章，他实际上是想要实现二维金属，但是发现它们无法实现。它们称这种石墨烯为具有金属性的。事实上，从研究这种二维材料开始，他们就开始想要实现二维金属。这种金属能否实现二维化？没人能给我们指导。这条走向光明的路，前面是一片黑暗。只有一步一步地去探索和探索。同时，我们也探索了许多时间。

我们还注意到，在工业上，用两块钢板压制金属可以使金属变薄。让我们把我们的想法放在极端。如果这种压力是无限的，如果这种压力持续时间是无限的，我们应该能够非常非常薄地压制这种金属材料。我们能达到这个原子极限吗？我们开始思考压制金属砧板需要满足哪些条件。

首先，我们可能会想像，它必须非常平坦，并且必须达到原子级的平坦。如果你有些粗糙，它肯定得不到单个原子层的厚度，所以它的表面必须是原子级的平整。其次，它的表面不能有悬挂键。那为什么？因为金属表面是金属键，当你按下它时，它就能与金属发生反应，你就得不到一种真正的二维金属。第3，你必须有一个能够承受压力的高杨氏模量。第4，我们需要一个单晶体。蓝宝石是一种很硬的衬底，也是工业上比较常用的衬底，但这种蓝宝石是独立拿来的，不能满足我们的要求。为什么呢？因为蓝宝石是一种三维材料，它的表面有一个悬挂键。我们的研究小组一直使用这种材料来长单层二硫化钼。如铺设单层二硫化钼，既能满足其硬度要求，又能满足无悬挂键的要求。

为何我们会想到这种材料？我们的研究组长张广宇老师就是这样。我们的研究小组一直专注于二维半导体二硫化钼。从一开始的 2013 年毫米级到 2017 一年两英寸，到 2019 年 4 英尺，那么到 2024 年 8 基本上，英尺是大概的 200 个mm。基本上就是我们把它推向应用程序。经过近十年的发展，我们的每一项指标都有所突破。

基于我们之前的一些发展，我们认为这种材料可能是一种理想的压制金属的材料。它坚硬，原子级平整，没有悬挂键，所以我们想建造一个设备，但我们不知道这条路是不可行的。在早期阶段，我们设置了一个相对简单的设备来探索这种可行性。如果里面有加热，中间有蓝宝石和硫化钼。这大概是一个示意图。

这是蓝宝石上的二硫化钼。首先，我们把一些金属粉放在这样的二硫化钼上，然后我们加热它，金属粉就会融化成小液滴，然后我们拿另一个蓝宝石的二硫化钼来压。按压后，我们可以去除上面的蓝宝石。它会导致一种二维金属被二硫化钼封装。

经过一次压力，我们发现我们得到了一个非常美好的结果。这是我们第一次得到这种二维金属。所以我们对其进行了结构表征，并对其进行了原子结构表征。事实上，从左上角可以看出，它是由两个金属原子层组成的。它被硫化钼封装在上面。为什么这里会有两个原子层？这是一种矩形晶格，因为它的相是阿尔法相。原来它最小的晶胞必须含有两个原子层。换言之，我们得到了一个最小的晶胞。事实上，我们在后面测量了不同的厚度，发现它只能出现在双层。事实上，这是这种材料最薄的厚度之一。我们不能再让它解开这个金属键，所以我们也把它叫做一层金属单层。

大家一直在研究较多的材料，它会有很多相。有阿尔法相，贝塔相，伽马相。那么，我们就在想，我们得到的材料是否均匀。我们进行了一系列的表征，大约有一些。 50 多种样品，所有样品的确都是这些矩形格子，都是阿尔法相。同时，我们也做了一些理论计算，这个理论计算告诉我们，在这个封装结构中，这个阿尔法相是最稳定的能量。众所周知，任何一种物质都是以形成最稳定的能量状态为重点，因此这一实验与理论也十分吻合。

这种材料究竟是多晶，非晶体？事实上，当时最初的想法，我们更倾向于它可能是一种多晶结构。令我们惊讶的是，我们从左到右测量样品测电镜，从上到下测量。经过这次测量，我们发现每个地方的晶体取向都是一样的。实际上，为了验证这一点，每个人都做了一个更大更宏观的测试，叫做 XRD。由于我们制作电镜，它的一个地方只有一个。μm，而我们的 XRD 我们可以覆盖整个样品。那么测了 XRD 之后，它可以告诉我们结果，这是一个单晶。换言之，我们已经完成了单晶金属的二向箔。

事实上，有了这种材料，我们更倾向于它有一些应用，有一些好的物理性能。因此，我们为它制造了一个电气设备。这是一种很好的经典金属行为，它的电阻会随着温度的降低而降低。尤其令我们意想不到的是，它的室温电导率居然能达到。 9 × 10 的 6 第二方，比其块材高一个量级。每个人的常规理解中，一个物体的厚度变薄后，其电导率就会下降，这反而会提高一个数量级。如果这个东西是普通的，现在我们芯片里有一些互连的金属丝，比如铜，那么如果我们也把它的二维化提升到一个数量级，从而实现一些超低功耗。我们知道目前芯片的一个大问题是排热。如果电导和导热系统得到改善，散热问题可以得到很好的解决，所以二维化可能会导致一些新的应用。

其实大家还在想，因为我们知道要做一个装置，一个东西一定要有调节性。因为金属载流很高，基本上屏蔽了电场，所以你甚至不能认为这种金属之前对电场有反应。当二维金属变薄后，你会发现它有很好的电场响应。插图为块状样品，您会发现其电阻基本不会随电场而变化。基于这一全金属型设备提供了一个概率，它可以在一些较高的频率、较低的功耗等领域得到应用。当然，最后我们其实也展示了，因为这个样品的对称性比较低，它有一个非线性霍尔响应，比以前大很多，从而构建了一些拓扑检测器等等。

就像二维材料一样，它也有独特的自由度。我们能控制这个层数，利用这个层数的自由度来实现信息的存储和数据的传输吗？所以我们的方法也为我们使用层自由提供了一个概率。通过控制压力，我们可以得到不同厚度的样品。然后我们也看到了。如果我们在这里做一些电镜，你会发现我们真的可以得到两层和三层，我们可以得到一些不同层次的样品。在这一层自由度的基础上，我们也验证了这一层对我们物性的调节。我们发现它的层数低于 6 层后，它将出现一个新的声子峰，并且这些声子峰之间的距离与层数有线性的变化关系。所以这里确实有一些与层自由相关的新奇物性。目前，我们仍在探索更多与层数相关的物理性质，如不同电导率和层数之间的关系，以及热导率和层数之间的一些关系。

同时，我们也回来做一个总结，我们知道 2004 2008年，这是一个被撕裂的诺贝尔物理学奖——石墨烯。我们的方法是挤出的金属二向箔。如果这两个人比较，都是很简单的方法，但一般都很实用。这也是我们所追求的科研技巧——追求自然的方法，而不是一些如此复杂的东西。

2004 2008年，我们用胶带撕掉了第一个单层石墨烯，开启了我们整个二维时代的研究热潮。这是在欧洲实现的。事实上，欧洲后面一直在推动材料领域的发展。它在 2011 2008年完成了第一个二维半导体，引领了我国二维芯片技术的发展。同时，美国也在追逐它，直到它。 2018 2008年，拐角石墨烯被创新性地提出。再过七年，这是我们的一项工作，它实现了金属的二维化，并给金属贴上了我们的中国标签。所以能看到的大概是每七年一次。事实上，我们这份工作是最近才出来的，也得到了一些国际同行或国内的一些认可和报道。这是 CCTV 还有各种各样的新闻，杂志，《Nature》。之前《Nature》基本上给一份工作写一份报告，这份报告是连续三份，同时给我们做一份报告，体现了这份工作的重要性。

所以最后我大概也展望一下二维金属，它的未来前景到底是什么？首先，我们开始了这样一个简单的研究领域。事实上，每个人都刚刚起步，就像第一次一样。 2004 每年剥去的石墨烯，有很大的研究空间。首先是我们的基础研究领域。正如我们所知道的那样，它可以为相当多的基础科学问题提供帮助。《Science》杂志在发刊 125 在周年纪念日，它提出来的 125 其中一个问题就是这种非晶体的本质。事实上，如果我们学习物理的人都知道有一位著名的科学家。 P. W. Anderson，在凝聚态物理中，他还指出，非晶体的本质是最重要但最难解决的科学问题。但为什么非晶这么难解决呢？因为非晶原子这是杂乱无章的，如果你再去三维内部看看，你根本无法解决这个非晶结构问题。但是在你实现了二维化之后，你可以清楚地看到每个原子的位置，这将有助于我们解决非晶体的本质。

其次，它还有许多新奇的物性，就像我们知道我们的铁、钴、镍一样，它具有磁性。你们把它降到二维后到底怎么样？这一基本科学问题到底是什么？然后我们可以研究相当多的基本问题来突破它们。我们对人类知识的一些认知扩大了我们的一些边界，从而催生了许多重要的科学思想和理论，引领了我们基础研究的一些前沿。那是在我们的基础研究领域。

在应用中，我非常认为它可以像我们的三维金属一样，它引领着我们整个人类文明的历史进程。这种二维金属是我们实现的。我觉得它可能在很多应用上，比如自旋电子学，比如超高频器件。你可以知道金属在一个三维金属中肯定是不透明的，但是如果你把它二维化，它一定是透明的，它可以透过各种各样的光，所以它可以非常导电和透明。这能做出一些柔软透明的高性能设备。金属还对各种光有一定的响应，它可以制作一些光电探测器，光谱非常宽，光谱非常快，它可以引领我们在一些非常高性能的设备上发展。

因此，这只是一个领域的开始。无论是基础研究还是技术应用，我认为它的前景都非常广阔。也希望有兴趣的可以加入我们的研究跑道，共同推动我们带有中国标签的二维金属的实际应用。谢谢你

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