英文全文：The story behind the realization of 2D metals

二维金属实现背后的故事

张广宇（中国科学院物理研究所）

序言：

最近，我们在《自然》杂志上发表了关于 “在埃米厚度极限下实现二维金属” 的研究成果。很高兴看到这项工作在科学界和公众中都引起了极大的关注和热烈的讨论。感谢《物理学前沿》[Frontiers of Physics (Beijing)]期刊编委北京师范大学何林教授邀请我为该刊撰写这项工作背后的故事 —— 尽管目前这项工作还处于初步阶段，而且我也没有撰写此类文章的经验，现在写可能有点为时尚早，但我把这项任务视为一个挑战，并且愿意去克服它。在这篇短文中，我将尝试回顾过去十年这项工作的整个历程，并做一些延伸讨论，主要基于我个人的经历和感悟，仅供读者们消遣。

“做些新的事儿，做些不同的事儿。” 这是我的博士导师王恩哥教授在过去的小组会议上经常提到的一句团队座右铭。我年轻的时候，并不太理解这句话的深意；随着年龄的增长，我逐渐明白了导师对学生的期望。2008 年我在中国科学院物理研究所组建自己的团队后，很快就把这句座右铭传递给了我的团队成员。

在中国科学院物理研究所从事了多年的石墨烯研究后，2015 年左右我感到有些沮丧。大家都知道，在一个热门且竞争激烈的领域工作是多么困难。尽管那时我们一直非常努力，并发表了一些我们自认为重要的石墨烯研究成果，但情况变得越来越艰难 —— 我们经常看到类似的成果在我们还没来得及总结自己的工作时就已经发表了。我意识到，我们必须做些新的事情，做些不同的事情。

基于我们在石墨烯以及单层二硫化钼（自 2012 年以来我们广泛研究的另一种二维材料）方面积累的较为丰富的知识、技能和实践经验，我个人觉得我们应该尝试探索一些具有有趣低维物理性质的新型二维体系。然后，我把这些想法传达给了我的学生们，并让他们先从二维金属的研究入手。自 2015 年起，我的几位优秀学生，陈鹏（现任南方科技大学教授）、卢晓波（现任北京大学教授）、汤建（即将成为浙江大学教授）和刘杰英（目前仍在我的团队做博士后）踏入了这个新领域并进行了一些初步尝试。遗憾的是，陈鹏、卢晓波和汤建很快遇到了挫折，转而投入到其他项目中。需要说明的是，我的大多数学生都有多个研究任务，因为我认为他们有能力同时处理不同的事情。2016 年至 2019 年期间，只有刘杰英继续从事二维金属方向的研究，并一点一点地取得进展。

自 2018 年起，赵交交加入我的团队攻读博士学位，并于 2019 年开始实验室工作。经过短暂的培训后，我把这项极具挑战性的任务交给了他，并让他与刘杰英密切合作。从那以后，赵交交尝试了很多方法，包括借鉴金箔制作工艺，用锤子敲打来让金属箔变薄。然而，即便用这些方法制作微米级厚度的金属箔都还远未成功，我们必须找到一种新方法。需要注意的是，在二维金属项目的最初阶段，我们就放弃了自上而下的策略。原因很简单：与具有层状结构的石墨不同，块状金属没有层状结构，无法像石墨烯那样剥离成原子级厚薄的二维形式。直接生长技术也不合适，因为从理论上讲，这种孤立的二维形式是不稳定的。经过几年的实践，我们意识到必须使用原子级平坦的表面进行压制。在这种情况下，才有可能使金属表面达到原子级平坦。2020 年左右迎来了一个转折点，一段铜锻造的视频启发了我，这是一种传统的金属变薄工业技术。同一时期，刘杰英一直在从事另一个项目，旨在将单层二硫化钼直接键合到蓝宝石上。赵交交也参与了这个晶圆键合项目，并从刘杰英那里学到了许多实验技能。随后，我让赵交交尝试类似的涉及金属的键合实验。很快，他取得了一些进展，表明这条路线是可行的！在一次组会上，我们看到了赵交交在二维金属铋的研究上取得的突破性成果，大家都非常兴奋！

然而，从2020 年到 2021 年，研究进展有所放缓，这主要是由于新冠疫情的影响。在那段时间里，大家很难全身心地投入到研究工作中。2021 年 7 月，杜罗军（我之前的博士生）从芬兰回来，以教授的身份重新加入了团队。杜罗军实验动手能力强，基础知识也非常扎实。他回来后，我建议他担任赵交交的联合博士生导师。从那以后，他给赵交交提供了大量的指导，在推动二维金属研究快速发展方面发挥了关键作用。尽管我们已经突破了实现二维金属的难关，但仍有许多问题有待解决，比如确定不同种类二维金属的厚度极限是多少、它们的基本电学和光学性质如何，等等。在团队其他成员，如中国科学院物理研究所杨威教授、时东霞教授和松山湖实验室李娜教授的帮助下，赵交交又花了三年时间收集完整的数据。部分数据整理成论文后，于 2024 年 8 月 1 日提交给《自然》杂志，并于 2025 年 1 月 29 日（正好是中国农历新年）被录用。

经过 10 年的艰苦探索，我们终于迈出了关键的一步，对我们的初心做出了回应，即我们首次实现了厚度达到二维极限的二维金属。就我个人而言，我认为这项工作开启了二维金属研究的潘多拉魔盒，由于其门槛较低，能让更多人涉足该领域。“底层的空间无限广阔！”—— 这项工作只是一个开始，还有许多深入的研究有待开展。由于二维限域效应，二维金属与块状金属相比在物理性能上会有怎样的表现，以及二维金属在各种技术领域的具体应用中能发挥多大的作用，等等，这些都令人非常期待。

我很幸运，这项研究被视为一项开创性的进展，有望在材料科学、电子学和凝聚态物理等多个领域带来新的可能性。我感谢所有对这项工作进行评审的专家，感谢他们给予的积极评价，比如， “作者的成果具有显著的创新性，开辟了一个重要的研究领域”。2025 年 3 月 12 日这项工作在《自然》杂志在线发表后，迅速引起了科技界的极大关注，相关报道包括《自然》“新闻”的 “石墨烯靠边站！科学家锻造出铋烯和一系列原子级厚度的金属” 、《自然》“新闻与观点”的 “金属被挤压至两个原子的厚度” 、《自然》“播客”的 “蓝宝石砧将金属挤压成原子级薄片” ，还有《环球时报》《新科学家》《EurekAlert!》《中国日报》等其他媒体的报道。

最后，我再写一点与这项研究相关的内容，希望读者们会感兴趣：

· 关于科研中的坚持

在今年年初论文发表前的一次团队聚会上，卢晓波谈到他后悔没有坚持二维金属的研究。我开玩笑地问他：“你愿意花 7 年时间拿博士学位吗？” 他大笑作为回应。我个人很欣赏赵交交 7 年的辛勤付出，我也总是告诉我的学生，只要坚持不懈，一切都会有回报。赵交交的经历就是一个很好的例子，直到现在，我仍然坚信这一点。

· 关于顶尖科研成果

科研圈的朋友们经常讨论什么样的研究才是顶尖水平的。我没有答案，毕竟一千个人眼中有一千个哈姆雷特。但我和我的学生们分享过我科研生涯中最幸福的时刻。那就是，当我取得了一些我认为重要的进展时，我会兴奋得彻夜难眠，甚至会在实验室通宵工作。我将这种感觉称为 “天人合一”。令人欣慰的是，我已经看到我的很多学生也有了同样的感受。

· 关于科研之美

我个人欣赏那些化繁为简的研究工作。石墨烯的发现就是一个例子。盖姆教授和诺沃肖洛夫教授使用了一种非常简单的技术，即用透明胶带剥离石墨制备出了石墨烯并研究其基本性质。我认为我们的工作是另一个例子。一卷胶带只需几美元，虽然我们使用的工具稍微贵一些，大约 5 万元人民币，但对于这个领域的科研人员来说，几乎都能负担得起。Sanchez-Yamagishi教授在《自然》的“新闻与观点”栏目中点评我们的工作时强调，“他们以低成本技术方法制备出了尺寸大于 100 微米、在空气中稳定的二维晶体，与使用更昂贵、更复杂的技术制备产出的成果下相比，有了显著的改进”。

· 关于兴趣驱动的研究

我们的二维金属研究项目主要来自兴趣驱动。虽然有资金支持，但具体的研究内容并没有在任何具有目标导向的研究资助申请书中列出。我非常感激这样的研究能够持续近 10 年，最终还取得了一些成果。在过去的 10 年里，我也承受了很大的压力；如果最后一无所获，那就有点浪费科研经费。

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