二维材料的研究域新概念伴随着2004年单层石墨烯的发现而被提出，它的新领学网诸多新奇特性极大颠覆了人类对材料的认知，引领了凝聚态物理、闻科材料科学等领域的中国突破性进展，拓展了基础研究和技术创新。科学在过去20年里，家开金属WhatsApp%E3%80%90+86%2015855158769%E3%80%91sandhill%20crane%20artwork二维材料家族迅速扩大，目前实验可获得的二维材料达数百种，理论预测更达近2000种。然而，由占据元素周期表大半江山的金属构成的二维材料在家族中却一直缺席。
“石墨烯是由单层碳原子的结构组成的。理论上，把金属做成单原子层厚度时，就成了二维金属。”张广宇告诉《中国科学报》，尽管过去实验中观察到了一些非常薄的材料，但由于尺寸太小且和衬底有强的化学键相互作用，并非真正的二维金属。
已有二维材料是层状结构，就像千层饼一样可以一张张“撕开”，从而通过剥离等方式来获得二维单层。而金属就像是一块儿紧实的“压缩饼干”，每个原子在任意方向均和周围原子存在强金属键相互作用，无法自然分层。
锻钢、打金箔等工业生产工艺给研究团队带来了灵感。有“中华一绝”之称南京金箔锻制技艺，通过数万次捶打将金块变成薄如蝉翼100纳米薄金箔。但这离达到单原子层厚度极限（小于1纳米）还有很大鸿沟。要达到原子极限的薄，关键在于样品的衬底需有着原子级平整的表面，还要在施压中克服材料各方向的力。
过去20年，张广宇团队始终专注二维材料的制备和物性研究，2018年以来，团队在蓝宝石衬底上外延制备高质量连续单层二硫化钼晶圆领域取得了一系列重要进展，且在2024年突破单层二硫化钼单晶晶圆和8英寸晶圆外延技术。二硫化钼正是原子级光滑平整的二维半导体，可为二维金属的制备提供理想的范德华压砧。
由于该实验过去鲜少有团队做过，而工厂设备价格昂贵，张广宇团队决定自己改造实验设备，用几万元就达到了百万级设备的效果。最终经过长时间摸索，团队得到了包括铋、锡、铅、铟、镓等单原子层金属，这些二维金属的厚度仅仅是一张A4纸的百万分之一，是一根头发丝直径的二十万分之一。
“原子极限厚度下二维金属的实现不仅超越当前二维层状材料体系，还有望演生出各种宏观量子现象，促进理论、实验和技术的进步。如二维金属不仅为理论提供了一个理想的量子受限模型体系，也是实验探索量子霍尔效应、二维超流或超导、拓扑相变等的绝佳载体。”论文共同通讯作者、中国科学院物理研究所特聘研究员杜罗军说。
“在我跟张老师读博士时，这一构思就有了，当时觉得不太能实现，因为金属原子间作用力很强，不像层状材料容易剥离。”杜罗军坦承，该研究先后历经多位学生毕业，而论文的第一作者、博士生赵交交更是历经7年完成该工作——也是他博士期间唯一的一项工作。“张老师一直告诉我们要做别人很难实现的研究，努力开创新领域、探索新材料，多‘啃硬骨头’。”
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团队成员合影，中国张广宇（右三）、科学赵交交（右二）。家开金属受访者供图 
