杜羅軍：當科幻照進現實，三維世界中的 “二向箔”_風聞

我是來自中國科學院物理研究所的杜羅軍。那麼今天和大家一起聊一聊二向箔，這麼一個既科幻又前沿的問題。我們先看一個簡短的視頻。我們知道《三體》，這是一個非常科幻的小説。這裏面就有一個武器叫做二向箔。這是一個高等文明去清理低等文明的一個常規性的武器。我們可以看到它就是一個非常薄、透明，但是它非常的強大。它可以把我們這個地球，這一個三維文明進行一個二維化。你要想去逃脱它的打擊，基本上你要實現光速。這就是二向箔。

二向箔在我們三維世界裏面是否可以真正的存在？如果存在二向箔，它的形式又該如何？要想去回答這麼一個簡單的問題，我們先看看我們的物質。它是由原子所組成的。那麼原子是我們組成這個三維世界物質的一個基本的一個單位。可能大家也會知道也有比原子更小的東西，比如夸克、中子，但是這些東西它先需要組成原子。

我們先看這麼一個圖，如果我們把原子沿着xyz三個方向去排布，那麼它就可以形成具有一定的長度，一定寬度，一定高度的一個物體。但是如果我們做一個極限考慮，在高度方向它只有一個原子層，那麼這個物體一定是我們這個三維世界裏面一個最薄的物質。那這個原子層大概有多厚呢？我們一張A4紙已經很薄了，大概是我們一張A4紙的一個百萬分之一。所以從我們的一個真實世界上去看的話，這個物體可以稱得上我們三維世界的一個二向箔。那麼在學術裏面我們有一個術語叫做二維材料。

是否我們可以實現只有單個原子層厚度的樣品或者一個材料呢？其實這個想法很早就有人開始去研究。比如早在1859年，我們就有人去嘗試去獲得這個材料，當然了肯定是失敗了。大概就是1937年，我們的著名物理學家Landau和Peierls，他就從理論上去指出了這個二維材料在我們三維世界裏面是不可能存在的。其實給了我們整個世界一個很大的打擊。但是一個突破性的發現，大概就是2004年，兩個俄籍的物理學家，他是在英國曼切斯特大學，非常簡單的方法，就是利用膠帶。我們知道這個是一個三維的石墨，它是由一層一層的原子所組成的。他們就利用膠帶把石墨放在膠帶裏面撕幾下，你就可以撕出這個石墨烯單層的一個材料。這個可能是我們這個世界裏面的第一個真正的一個二維材料。由於這個突破性的發現，六年以後就拿到了我們的諾貝爾物理學獎。其實我們每個人都用鉛筆寫過字，你在寫字的時候就可以得到這個材料，只是你沒有發現而已，這個就開啓了我們二維世界的一個大門。

我選了一些非常具有代表性的一些例子。那你從這上面可以看出，那麼這個二維材料在這近二十年裏面，基本上就引領了我們凝聚態物理、材料科學的一些系列的突破性進展，開創了我們這個基礎研究以及技術創新的一個二維的新紀元。其實我們再看應用方面，它可以去構築一些具有非常顛覆性功能的一些產品。比如我們目前知道我們的芯片——硅基，它隨着尺寸的微縮，它基本上到了一個摩爾定律的極限。二維材料它就可以去解決硅基的微縮瓶頸，那麼去構築亞納米的集成電路。同時我們可以知道一個比較厚的樣品，比如一本書，你要想去彎曲還是比較難的。那麼如果你撕出一張紙，你就很容易的去彎曲。一個物體達到原子級厚度之後，它可以任意的彎曲，所以你可以去構築一些高性能的一些柔性集成電路，比如電子皮膚從而去監測我們的人類的健康。

第三個，這個二維材料它也可以在第三個維度下，去把它疊起來，所以去構築一些三維集成。這僅僅舉了幾個代表性的例子，它其實在一些顛覆性的產品上還有很多很多的應用。在這二十多年裏面除了石墨烯以外，其實目前還發現了很多很多的二維材料。比如我們除了石墨烯以外，還有二硫化鉬、還有氮化硼等等，理論上它可能有2000多種。但是這些二維材料它主要是類似於這種石墨，它是由一層一層的原子所組成的，那麼它就像一本書，一頁一頁紙所組成的。其實大部分的材料並不是這種結構，97%以上的材料它都不是層狀材料的。

那麼一個代表性的例子就是金屬。我們先看週期表，它基本上佔到80%以上。我們整個人類的發展歷史，我們的很多的歷史文明都是以金屬來命名，比如説銅器時代、鐵器時代。對於這種非層狀材料的它的每一個原子都和它周圍的原子360度無死角的耦合起來。像這樣的材料，那麼我們能不能給它進行二維化？這是我們去嘗試做二維金屬的一個初衷，就是説想把不可能的事情把它變成可能！

我們再回過來看第一篇二維材料的文章，他其實就是想去實現二維金屬，但是發現他們實現不了。他們就把這個石墨烯叫做是具有金屬性的。其實從最開始研究這個二維材料，他們就開始想去實現二維金屬。我們能否將這種金屬實現二維化？沒有任何人可以去給我們指導。走向光明的這個路，前面是一片黑暗。我們只能一步一步的去摸索去探索。我們也探索了很多時間。

我們也注意到了，工業上用兩個鋼板去壓金屬，它可以把金屬進行減薄。我們就把我們的思想放的極端一些。如果這個壓力無窮大，如果這個壓的時間無限長，我們應該是可以把這個金屬材料壓得非常非常薄。能否達到這個原子極限呢？我們就開始想那麼這個壓金屬的壓砧需要滿足什麼樣的條件呢？

第一個，我們可能想象，它必須要非常非常的平整，必須要達到原子級的平整。你只要有一些粗糙，它就肯定得不到單個原子層的厚度，所以它的表面必須要原子級的平整。第二個，它表面不能有懸掛鍵。那麼為什麼？因為金屬它表面有金屬鍵，你在壓的時候，它就可以和金屬去發生化學反應，你就得不到一個本真的一個二維金屬。第三個，你必須有一個高的楊氏模量可以去承受壓力。第四個，我們需要一個單晶。藍寶石它是一個非常硬的襯底，也是工業上比較常用的襯底，但是這個藍寶石單獨拿過來，它不能滿足我們的要求。為什麼呢？因為藍寶石它是一個三維材料，它表面具有懸掛鍵。我們課題組一直利用這個材料去長單層的二硫化鉬。那麼如果鋪上單層二硫化鉬，它既可以滿足它的硬度要求，也能滿足無懸掛鍵的要求。

為什麼我們會想到這個材料呢？這是我們的課題組長張廣宇老師。我們課題組一直就在聚焦在二硫化鉬這個二維半導體。從最開始的2013年的毫米級到2017年的兩英寸，到2019年的4英寸，那麼到2024年的8英寸基本上有大概200個毫米。基本上就是説我們把它推向應用。通過近十年的發展，我們各個指標一直在突破。

基於我們前面的一些發展，我們就想到了這個材料有可能是去壓金屬的一個理想材料。它既硬又原子級平整，又沒有懸掛鍵，所以我們就去想搭建一個設備，但是我們也不知道這條路可不可行，前期還是搭了一個比較簡單的一個設備去探索這個可行性。裏面弄了一個加熱的，那麼中間夾着一個藍寶石，夾着一個硫化鉬。這大概是一個示意圖。

這個就是一個在藍寶石上的二硫化鉬，首先我們把一些金屬粉末給它放在這麼一個二硫化鉬上，然後我們給它加熱，金屬粉末就會融化成一個小液滴，然後我們再拿另外一個藍寶石的二硫化鉬拿過來壓。壓完之後，那麼我們就可以把上面的藍寶石給它去掉。它就會形成我們二硫化鉬封裝的一個二維金屬。

我們一壓完之後，我們發現我們得到一個非常漂亮的結果。我們第一次獲得了這麼一個二維金屬。所以我們對它做了一個結構的表徵，做了一個原子結構的表徵。從左上角其實可以看到，它是由兩個金屬原子層所組成的。它上面被硫化鉬所封裝。為什麼這裏會有兩個原子層呢？因為它的相是一個阿爾法相，它是一個矩形晶格。原來它的最小的晶胞就必須含有兩個鉍原子層。也就是説我們得到了一個最小的一個晶胞。其實這個後面我們也測了不同的厚度，發現它只能以偶數層出現。其實這個就是這個材料的一個最薄的厚度了。這個金屬鍵我們已經不能讓它解開了，所以我們也把這個材料叫做一個單層的金屬鉍。

鉍是大家一直研究比較多的材料，它會有非常多的相。它有阿爾法相、貝塔相、伽馬相。那麼我們就在想我們得到的材料是不是是一個均一的相？我們做了一系列的表徵，大概有50多個樣品，所有的樣品確實都是這些矩形格子，都是阿爾法相。我們也做了一些理論計算，這個理論計算告訴我們在這種封裝的結構裏面，這個阿爾法相是能量最穩態。我們知道任何一個物質它都去傾向於形成能量最穩態，所以這個是實驗和理論也是非常吻合的。

這個材料到底是一個多晶，非晶？其實當時最開始的想法，我們更加傾向於它可能是一個多晶結構。讓我們很驚訝，我們把樣品測電鏡從左測到右，從上測到下，把這個測了一遍之後，發現每一個地方的晶體取向都一樣。為了驗證這一點，其實我們也做了一個更大的更宏觀的測量，叫做XRD。因為我們做電鏡，它的一個地方只有一個微米，而我們的XRD可以覆蓋我們整個樣品。那麼測了XRD之後，它可以告訴我們的結果，這就是一個單晶。也就是説，我們這是實現了單晶的金屬的一個二向箔。

其實有了這個材料，我們更加去傾向它有一些應用，有一些好的物性。所以我們就給它做了一個電學器件。它的電阻會隨着温度的降低而降低，是一個非常好的經典的金屬行為。特別讓我們很意想不到的是，它的室温的電導率竟然可以達到9×10的6次方，比它的塊體要高一個量級。在我們的常規理解裏面，一個物體它的厚度減薄之後，它的電導率是要降低的，這反而提升了一個數量級。如果這個東西是一個普世的，現在我們的芯片裏面的一些互連的金屬線，比如銅，那麼如果我們也把它二維化提高一個數量級，從而去實現一些超低功耗。我們知道芯片目前有個很大的問題就是散熱，如果你把電導、熱導都提高之後，散熱問題可以得到很好的解決，所以二維化有可能導致一些全新的應用。

其實我們還在想，因為我們知道要做一個器件，一個東西它必須具有調控性，因為金屬的載流怎麼都非常高，那麼它基本上就把電場給屏蔽掉了，所以這個金屬以前你想都不能想它對電場具有響應。對於一個二維金屬它減薄之後，你會發現它有非常好的一個電場響應。插圖是一個塊體的樣品，你會發現它的電阻基本上不隨着電場變化。基於這種全金屬型的器件提供了一個可能性，它就可以在一些更高頻，更低功耗有一個應用場景。當然，最後我們其實也展示了，因為這個樣品的對稱性它是比較低的，它具有一個非常大的比以前要大很多的一個二階的非線性霍爾響應，從而去構築一些拓撲檢測器等等。

像二維材料它也有一個獨特的自由度，我們能不能控制這個層數，從而去利用這個層的自由度去實現信息的存儲、信息的傳輸呢？那麼我們這個方法也為我們去利用層自由度提供了一個可能性。我們控制壓力確實可以得到不同厚度的樣品。那麼我們也看了，這兒做了一些電鏡，你就可以發現我們確實可以得到雙層，還有三層，我們可以得到不同層次的一些樣品。我們也基於這個層自由度，去驗證了這個層對我們物性的調控。我們發現它的層數小於6層以後，它會出現一個新的聲子峯，並且這些聲子峯之間的間距它和層數是一個線性的變化關係。那麼這就確實有一些層自由度相關的一些新奇物性在裏面。目前更多的一些層數相關的物性我們還在探索，比如不同的電導率和層數的關係，還有一些熱導率和層數的關係也在進一步的探索之中。

我們也回過來去做一個總結，我們知道2004年，這是撕出來的諾貝爾物理學獎——石墨烯。我們這個方法，這是擠出來的金屬二向箔。如果這兩個做對比的話，它都是一個非常簡單的方法，但是又通常非常實用。這也是我們所追求的科研的一個技巧——追求大道至簡，不去追求那麼複雜的一些東西。

2004年我們利用膠帶方法撕出來了第一個單層石墨烯，開啓了我們整個二維時代的一個研究熱潮。這個是在歐洲實現的。歐洲其實後面在一直引領着材料領域的一個發展。它在2011年的時候實現了第一個二維半導體，引領了我們二維芯片技術的發展。美國也在一直在追趕，它到2018年的時候，創新性地提出了轉角石墨烯。這是再過了七年之後，這是我們的一個工作，把金屬實現了一個二維化，給金屬打上了我們的中國的標籤。那麼可以看到大概是每七年一個成果。我們其實這個工作是最近才出來的，也得到了一些國際同行或者國內的一些認可和報道。這是CCTV還有各種新聞、雜誌，還有《Nature》。以前《Nature》給一個工作基本上寫一個報道，這個它們是連續的三個同時給我們做了一個報道，體現了這麼一個工作的一個重要性。

那麼最後我大概也展望一下二維金屬，它到底未來的前景到底有哪些？那麼第一個，我們開始了這麼一個簡單的一個研究領域。其實我們這個才是剛剛起步，就像第一次2004年剝離出來的石墨烯，有非常非常多的一個研究空間。第一個是在我們的基礎研究領域。它可以為非常多的基本科學問題，比如我們知道在《Science》雜誌在創刊125週年的時候，它提出來的125個問題之一就是這個非晶的本質。其實如果我們學物理的都知道有一個著名的物理學家P. W. Anderson，他也指出非晶的本質是凝聚態物理裏面最重要，但是又最難解決的科學問題。但是為什麼非晶這麼難解決呢？因為非晶的原子它是雜亂無章的，如果你再去三維裏面去看的話，你根本就解決不了這個非晶的結構問題。但是你把它實現二維化以後，你的每一個原子的位置都可以看得清清楚楚，有助於我們去解決非晶的這個本質。

那麼第二個呢，它還有為很多的新奇的物性，比如我們知道我們的鐵、鈷、鎳，它具有磁性。你把它降到二維以後到底怎麼樣？它這個基本科學問題到底是什麼？那麼可以為我們的去研究非常多的基本問題去突破，我們對人類的很多一些知識的一些認知，拓展我們的一些邊界，那麼去催生很多的重要的科學思想和理論，去引領了我們的基礎研究的一些前沿。這是在我們的基礎研究領域裏面的。

在應用裏面，我也想它可能可以像我們的這個三維金屬，它引領了我們這個整個人類文明的一個歷史進程。我們實現了這個二維化的這個金屬。我也想它可能在很多應用方面，比如説在自旋電子學，比如在超高頻的器件。金屬你可以知道，在一個三維金屬肯定是不透光的，但是你把它做到二維化，它一定是一個透光的，它可以透各種光，所以它可以既非常導電又透光。它可以做一些柔性透明的一些高性能的器件。金屬它也對各種光有一些響應，它可以做一個非常寬光譜超快的一些光電探測器，它可以去引領我們在一些非常高性能的一些器件的發展。

所以，這是一個領域剛剛開始。不管在基礎研究還是在技術應用方面，我覺得還有它的前景是非常的廣闊的，我也希望各位感興趣的可以加入我們這個研究賽道，共同推動我們這個具有中國標籤的二維金屬走向實際應用。謝謝！