杜罗军：当科幻照进现实，三维世界中的 “二向箔”

我是来自中国科学院物理研究所的杜罗军。那么今天和大家一起聊一聊二向箔，这么一个既科幻又前沿的问题。我们先看一个简短的视频。我们知道《三体》，这是一个非常科幻的小说。这里面就有一个武器叫做二向箔。这是一个高等文明去清理低等文明的一个常规性的武器。我们可以看到它就是一个非常薄、透明，但是它非常的强大。它可以把我们这个地球，这一个三维文明进行一个二维化。你要想去逃脱它的打击，基本上你要实现光速。这就是二向箔。

二向箔在我们三维世界里面是否可以真正的存在？如果存在二向箔，它的形式又该如何？要想去回答这么一个简单的问题，我们先看看我们的物质。它是由原子所组成的。那么原子是我们组成这个三维世界物质的一个基本的一个单位。可能大家也会知道也有比原子更小的东西，比如夸克、中子，但是这些东西它先需要组成原子。

我们先看这么一个图，如果我们把原子沿着xyz三个方向去排布，那么它就可以形成具有一定的长度，一定宽度，一定高度的一个物体。但是如果我们做一个极限考虑，在高度方向它只有一个原子层，那么这个物体一定是我们这个三维世界里面一个最薄的物质。那这个原子层大概有多厚呢？我们一张A4纸已经很薄了，大概是我们一张A4纸的一个百万分之一。所以从我们的一个真实世界上去看的话，这个物体可以称得上我们三维世界的一个二向箔。那么在学术里面我们有一个术语叫做二维材料。

是否我们可以实现只有单个原子层厚度的样品或者一个材料呢？其实这个想法很早就有人开始去研究。比如早在1859年，我们就有人去尝试去获得这个材料，当然了肯定是失败了。大概就是1937年，我们的著名物理学家Landau和Peierls，他就从理论上去指出了这个二维材料在我们三维世界里面是不可能存在的。其实给了我们整个世界一个很大的打击。但是一个突破性的发现，大概就是2004年，两个俄籍的物理学家，他是在英国曼切斯特大学，非常简单的方法，就是利用胶带。我们知道这个是一个三维的石墨，它是由一层一层的原子所组成的。他们就利用胶带把石墨放在胶带里面撕几下，你就可以撕出这个石墨烯单层的一个材料。这个可能是我们这个世界里面的第一个真正的一个二维材料。由于这个突破性的发现，六年以后就拿到了我们的诺贝尔物理学奖。其实我们每个人都用铅笔写过字，你在写字的时候就可以得到这个材料，只是你没有发现而已，这个就开启了我们二维世界的一个大门。

我选了一些非常具有代表性的一些例子。那你从这上面可以看出，那么这个二维材料在这近二十年里面，基本上就引领了我们凝聚态物理、材料科学的一些系列的突破性进展，开创了我们这个基础研究以及技术创新的一个二维的新纪元。其实我们再看应用方面，它可以去构筑一些具有非常颠覆性功能的一些产品。比如我们目前知道我们的芯片——硅基，它随着尺寸的微缩，它基本上到了一个摩尔定律的极限。二维材料它就可以去解决硅基的微缩瓶颈，那么去构筑亚纳米的集成电路。同时我们可以知道一个比较厚的样品，比如一本书，你要想去弯曲还是比较难的。那么如果你撕出一张纸，你就很容易的去弯曲。一个物体达到原子级厚度之后，它可以任意的弯曲，所以你可以去构筑一些高性能的一些柔性集成电路，比如电子皮肤从而去监测我们的人类的健康。

第三个，这个二维材料它也可以在第三个维度下，去把它叠起来，所以去构筑一些三维集成。这仅仅举了几个代表性的例子，它其实在一些颠覆性的产品上还有很多很多的应用。在这二十多年里面除了石墨烯以外，其实目前还发现了很多很多的二维材料。比如我们除了石墨烯以外，还有二硫化钼、还有氮化硼等等，理论上它可能有2000多种。但是这些二维材料它主要是类似于这种石墨，它是由一层一层的原子所组成的，那么它就像一本书，一页一页纸所组成的。其实大部分的材料并不是这种结构，97%以上的材料它都不是层状材料的。

那么一个代表性的例子就是金属。我们先看周期表，它基本上占到80%以上。我们整个人类的发展历史，我们的很多的历史文明都是以金属来命名，比如说铜器时代、铁器时代。对于这种非层状材料的它的每一个原子都和它周围的原子360度无死角的耦合起来。像这样的材料，那么我们能不能给它进行二维化？这是我们去尝试做二维金属的一个初衷，就是说想把不可能的事情把它变成可能！

我们再回过来看第一篇二维材料的文章，他其实就是想去实现二维金属，但是发现他们实现不了。他们就把这个石墨烯叫做是具有金属性的。其实从最开始研究这个二维材料，他们就开始想去实现二维金属。我们能否将这种金属实现二维化？没有任何人可以去给我们指导。走向光明的这个路，前面是一片黑暗。我们只能一步一步的去摸索去探索。我们也探索了很多时间。

我们也注意到了，工业上用两个钢板去压金属，它可以把金属进行减薄。我们就把我们的思想放的极端一些。如果这个压力无穷大，如果这个压的时间无限长，我们应该是可以把这个金属材料压得非常非常薄。能否达到这个原子极限呢？我们就开始想那么这个压金属的压砧需要满足什么样的条件呢？

第一个，我们可能想象，它必须要非常非常的平整，必须要达到原子级的平整。你只要有一些粗糙，它就肯定得不到单个原子层的厚度，所以它的表面必须要原子级的平整。第二个，它表面不能有悬挂键。那么为什么？因为金属它表面有金属键，你在压的时候，它就可以和金属去发生化学反应，你就得不到一个本真的一个二维金属。第三个，你必须有一个高的杨氏模量可以去承受压力。第四个，我们需要一个单晶。蓝宝石它是一个非常硬的衬底，也是工业上比较常用的衬底，但是这个蓝宝石单独拿过来，它不能满足我们的要求。为什么呢？因为蓝宝石它是一个三维材料，它表面具有悬挂键。我们课题组一直利用这个材料去长单层的二硫化钼。那么如果铺上单层二硫化钼，它既可以满足它的硬度要求，也能满足无悬挂键的要求。

为什么我们会想到这个材料呢？这是我们的课题组长张广宇老师。我们课题组一直就在聚焦在二硫化钼这个二维半导体。从最开始的2013年的毫米级到2017年的两英寸，到2019年的4英寸，那么到2024年的8英寸基本上有大概200个毫米。基本上就是说我们把它推向应用。通过近十年的发展，我们各个指标一直在突破。

基于我们前面的一些发展，我们就想到了这个材料有可能是去压金属的一个理想材料。它既硬又原子级平整，又没有悬挂键，所以我们就去想搭建一个设备，但是我们也不知道这条路可不可行，前期还是搭了一个比较简单的一个设备去探索这个可行性。里面弄了一个加热的，那么中间夹着一个蓝宝石，夹着一个硫化钼。这大概是一个示意图。

这个就是一个在蓝宝石上的二硫化钼，首先我们把一些金属粉末给它放在这么一个二硫化钼上，然后我们给它加热，金属粉末就会融化成一个小液滴，然后我们再拿另外一个蓝宝石的二硫化钼拿过来压。压完之后，那么我们就可以把上面的蓝宝石给它去掉。它就会形成我们二硫化钼封装的一个二维金属。

我们一压完之后，我们发现我们得到一个非常漂亮的结果。我们第一次获得了这么一个二维金属。所以我们对它做了一个结构的表征，做了一个原子结构的表征。从左上角其实可以看到，它是由两个金属原子层所组成的。它上面被硫化钼所封装。为什么这里会有两个原子层呢？因为它的相是一个阿尔法相，它是一个矩形晶格。原来它的最小的晶胞就必须含有两个铋原子层。也就是说我们得到了一个最小的一个晶胞。其实这个后面我们也测了不同的厚度，发现它只能以偶数层出现。其实这个就是这个材料的一个最薄的厚度了。这个金属键我们已经不能让它解开了，所以我们也把这个材料叫做一个单层的金属铋。

铋是大家一直研究比较多的材料，它会有非常多的相。它有阿尔法相、贝塔相、伽马相。那么我们就在想我们得到的材料是不是是一个均一的相？我们做了一系列的表征，大概有50多个样品，所有的样品确实都是这些矩形格子，都是阿尔法相。我们也做了一些理论计算，这个理论计算告诉我们在这种封装的结构里面，这个阿尔法相是能量最稳态。我们知道任何一个物质它都去倾向于形成能量最稳态，所以这个是实验和理论也是非常吻合的。

这个材料到底是一个多晶，非晶？其实当时最开始的想法，我们更加倾向于它可能是一个多晶结构。让我们很惊讶，我们把样品测电镜从左测到右，从上测到下，把这个测了一遍之后，发现每一个地方的晶体取向都一样。为了验证这一点，其实我们也做了一个更大的更宏观的测量，叫做XRD。因为我们做电镜，它的一个地方只有一个微米，而我们的XRD可以覆盖我们整个样品。那么测了XRD之后，它可以告诉我们的结果，这就是一个单晶。也就是说，我们这是实现了单晶的金属的一个二向箔。

其实有了这个材料，我们更加去倾向它有一些应用，有一些好的物性。所以我们就给它做了一个电学器件。它的电阻会随着温度的降低而降低，是一个非常好的经典的金属行为。特别让我们很意想不到的是，它的室温的电导率竟然可以达到9×10的6次方，比它的块体要高一个量级。在我们的常规理解里面，一个物体它的厚度减薄之后，它的电导率是要降低的，这反而提升了一个数量级。如果这个东西是一个普世的，现在我们的芯片里面的一些互连的金属线，比如铜，那么如果我们也把它二维化提高一个数量级，从而去实现一些超低功耗。我们知道芯片目前有个很大的问题就是散热，如果你把电导、热导都提高之后，散热问题可以得到很好的解决，所以二维化有可能导致一些全新的应用。

其实我们还在想，因为我们知道要做一个器件，一个东西它必须具有调控性，因为金属的载流怎么都非常高，那么它基本上就把电场给屏蔽掉了，所以这个金属以前你想都不能想它对电场具有响应。对于一个二维金属它减薄之后，你会发现它有非常好的一个电场响应。插图是一个块体的样品，你会发现它的电阻基本上不随着电场变化。基于这种全金属型的器件提供了一个可能性，它就可以在一些更高频，更低功耗有一个应用场景。当然，最后我们其实也展示了，因为这个样品的对称性它是比较低的，它具有一个非常大的比以前要大很多的一个二阶的非线性霍尔响应，从而去构筑一些拓扑检测器等等。

像二维材料它也有一个独特的自由度，我们能不能控制这个层数，从而去利用这个层的自由度去实现信息的存储、信息的传输呢？那么我们这个方法也为我们去利用层自由度提供了一个可能性。我们控制压力确实可以得到不同厚度的样品。那么我们也看了，这儿做了一些电镜，你就可以发现我们确实可以得到双层，还有三层，我们可以得到不同层次的一些样品。我们也基于这个层自由度，去验证了这个层对我们物性的调控。我们发现它的层数小于6层以后，它会出现一个新的声子峰，并且这些声子峰之间的间距它和层数是一个线性的变化关系。那么这就确实有一些层自由度相关的一些新奇物性在里面。目前更多的一些层数相关的物性我们还在探索，比如不同的电导率和层数的关系，还有一些热导率和层数的关系也在进一步的探索之中。

我们也回过来去做一个总结，我们知道2004年，这是撕出来的诺贝尔物理学奖——石墨烯。我们这个方法，这是挤出来的金属二向箔。如果这两个做对比的话，它都是一个非常简单的方法，但是又通常非常实用。这也是我们所追求的科研的一个技巧——追求大道至简，不去追求那么复杂的一些东西。

2004年我们利用胶带方法撕出来了第一个单层石墨烯，开启了我们整个二维时代的一个研究热潮。这个是在欧洲实现的。欧洲其实后面在一直引领着材料领域的一个发展。它在2011年的时候实现了第一个二维半导体，引领了我们二维芯片技术的发展。美国也在一直在追赶，它到2018年的时候，创新性地提出了转角石墨烯。这是再过了七年之后，这是我们的一个工作，把金属实现了一个二维化，给金属打上了我们的中国的标签。那么可以看到大概是每七年一个成果。我们其实这个工作是最近才出来的，也得到了一些国际同行或者国内的一些认可和报道。这是CCTV还有各种新闻、杂志，还有《Nature》。以前《Nature》给一个工作基本上写一个报道，这个它们是连续的三个同时给我们做了一个报道，体现了这么一个工作的一个重要性。

那么最后我大概也展望一下二维金属，它到底未来的前景到底有哪些？那么第一个，我们开始了这么一个简单的一个研究领域。其实我们这个才是刚刚起步，就像第一次2004年剥离出来的石墨烯，有非常非常多的一个研究空间。第一个是在我们的基础研究领域。它可以为非常多的基本科学问题，比如我们知道在《Science》杂志在创刊125周年的时候，它提出来的125个问题之一就是这个非晶的本质。其实如果我们学物理的都知道有一个著名的物理学家P. W. Anderson，他也指出非晶的本质是凝聚态物理里面最重要，但是又最难解决的科学问题。但是为什么非晶这么难解决呢？因为非晶的原子它是杂乱无章的，如果你再去三维里面去看的话，你根本就解决不了这个非晶的结构问题。但是你把它实现二维化以后，你的每一个原子的位置都可以看得清清楚楚，有助于我们去解决非晶的这个本质。

那么第二个呢，它还有为很多的新奇的物性，比如我们知道我们的铁、钴、镍，它具有磁性。你把它降到二维以后到底怎么样？它这个基本科学问题到底是什么？那么可以为我们的去研究非常多的基本问题去突破，我们对人类的很多一些知识的一些认知，拓展我们的一些边界，那么去催生很多的重要的科学思想和理论，去引领了我们的基础研究的一些前沿。这是在我们的基础研究领域里面的。

在应用里面，我也想它可能可以像我们的这个三维金属，它引领了我们这个整个人类文明的一个历史进程。我们实现了这个二维化的这个金属。我也想它可能在很多应用方面，比如说在自旋电子学，比如在超高频的器件。金属你可以知道，在一个三维金属肯定是不透光的，但是你把它做到二维化，它一定是一个透光的，它可以透各种光，所以它可以既非常导电又透光。它可以做一些柔性透明的一些高性能的器件。金属它也对各种光有一些响应，它可以做一个非常宽光谱超快的一些光电探测器，它可以去引领我们在一些非常高性能的一些器件的发展。

所以，这是一个领域刚刚开始。不管在基础研究还是在技术应用方面，我觉得还有它的前景是非常的广阔的，我也希望各位感兴趣的可以加入我们这个研究赛道，共同推动我们这个具有中国标签的二维金属走向实际应用。谢谢！