厚度僅頭髮20萬分之一！陸研製原子級二維金屬 專家：將在六大領域出現顛覆級應用
中國科學院物理研究所在上周四 (13 日) 刊於《自然》的一篇研究論文掀起軒然大波，中國科研團隊在三維空間造出二維金屬材料，厚度僅頭髮直徑的二十萬分之一，是國際上首次實現大面積二維金屬材料的製備，開創了二維金屬研究新領域。這種材料未來可為超微型低功耗晶體管、透明顯示等領域帶來技術革新。
《自然》期刊審稿人認為，中國科學院物理研究所這項研究開創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，中科院這一研究更獲國際同行稱讚為「材料科學領域的量子性飛躍」。
中國科學院物理研究所 / 松山湖材料實驗室研究員張廣宇團隊發展了原子級製造的范德華擠壓技術，創造性地採用單層二硫化鉬作為「原子級壓砧」，而且在高溫之下，將液態金屬，擠壓成原子層。
這種形似「三明治」的封裝結構，既輕輕鬆鬆地避開金屬氧化，又給它賦予極為特別的穩定性。實驗顯示，二維金屬在空氣中存放一年，竟然依然能夠保持性能穩定。
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提供有效的原子級製造方案，為各種新興的量子、電子和光子器件應用提供了新的技術手段。
更令人驚歎的是，單層鉍的電導率，相比塊體材料而言提升 10 倍，且其電阻能夠通過柵壓進行調控，調控幅度達到 35%，傳統金屬僅只能調控 1%，這意味著未來的晶片晶體管有希望實現「全金屬化」，在保持高導電性的同時，還能略微降低能耗。
原子極限厚度的二維金屬有著廣闊的應用前景，將為超微型低功耗晶體管、高頻器件、柔性透明顯示、超靈敏探測、極致高效催化等領域帶來技術革新。
專家指出，這項二維金屬材料將在六大領域內帶來顛覆性應用，分別是 AI 晶片算力、能源、太空軍工、柔性電子、量子計算以及腦機介面。
首先，當前晶片製程逼近 1 奈米極限，而且銅互連技術面臨著電子散射這一難題。二維金屬導線的電阻率僅為銅的 15，且電流承載能力提升 10 倍，如此便可完美地解決這一瓶頸。 華為已經聯合中科院成立實驗室，預計明年推出首款二維金屬晶片，估計將會推動 AI 算力突破現有的極限。
二維金屬電極讓鋰電池能量密度有望突破 800Whkg，當前最高則為 350Whkg，而且充電速度有望提升 5 倍，且耐高溫特性 (3000°C) 為可控核聚變「第一壁」材料研發提供新方案，有助於人類叩開清潔能源的大門。
其次，0.1 毫米厚的二維金屬層，它能夠抵禦太空輻射以及微隕石的撞擊，而且未來的星際飛船有希望減重 50%。它的全頻段雷達波吸收特性，也將讓匿蹤戰機步入「貼膜時代」，只要在表面覆蓋上超薄的導電層，就可以實現全向隱身。
此外，二維金屬的柔韌性，與導電性結合，使柔性電路能夠直接印刷在螢幕基底之上。厚度僅僅為微米級別的柔性晶片，將推動折疊手機、智慧穿戴設備邁入一個全新的紀元。
中科院團隊實驗也發現，二維金屬在低溫之下呈二維超導特性，而且其轉變溫度，比傳統材料，提升了三倍之多，為室溫量子計算機的研發提供全新的路徑，或許也會加速量子霸權的實現。
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說：「原子極限厚度的二維金屬不僅超越當前二維層狀材料體系，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，例如二維金屬不僅為理論研究提供一個理想的量子受限模型體系，而且是實驗探索量子霍爾效應、二維超流或超導、拓撲相變等的絕佳載體。」
最後，奈米級厚度與高導電性讓二維金屬電極能精準地捕捉單個神經元信號。未來人類或將通過植入式設備來實現「意識操控機械」，進而開啟人機融合的新紀元。
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