量子霍尔效应（quantum hall effect, QHE）已经被发现了40年，我们理解这种低维体系中展现了不同现象。在这种体系中，超导现象和量化电阻平稳现象（quantized resistance plateaus）能够体现（单原子层Pb、NbSe₂、Sn、双层石墨烯）。通过这种单层结构材料，人们得以研究尺寸效应（dimensionality effects）。这种二维结构材料能够通过在材料表面或者基底上沉积生长，或者从自然生长的二维材料得到（由于层间的结合能较弱）。相对于层状材料，单层结构的材料是不稳定的，容易破碎，需要将其稳定在其他基底上。并且这种材料在空气及其不稳定，一般只有在高真空气氛中才能进行系统性研究。

宾夕法尼亚大学的Natalie Briggs、Joshua A. Robinson等发现大尺寸原子层厚度的金属能够通过限域生长在石墨烯/SiC界面上（Nature Material, 2020, DOI: 10.1038/s41563-020-0631-x, https://www.nature.com/articles/s41563-020-0631-x），进而形成梯度结合作用，这种作用在空气中能够稳定存在，这个体系可能在量子和光电领域中得以应用。

法国佐治亚理工学院-国家科研中心、美国佐治亚理工学院合作对这种三明治结构（基底/单层金属膜/石墨烯夹层）保护单层金属在Nature Material上对其进行总结报道。

本文要点

（1）Natalie Briggs等发明了一种容易合成2D金属晶体材料的方法，并且这种2D金属在空气中稳定存在。合成的原子层金属材料展现为三明治结构，得到的原子厚度金属存在于基底和另外材料层之间，因此这种原子厚度金属能够在空气中得以稳定存在。和直接在合成的材料界面上修饰保护性材料不同，这种三明治结构的材料的金属层能稳定存在于外延石墨层中（这个石墨烯生长在晶硅或SiC基底上）。

实验步骤如下：首先将SiC上的石墨烯材料在氧Plasma处理生成一些孔洞结构（hole），进而有助于金属穿过石墨烯层。随后在高温条件进行原子沉积反应，原子通过孔洞结构和SiC接触，并生成超薄结构材料，随后由于高温自愈作用，石墨烯中的孔洞被消除。

通过这种方法，能生成Ga，In和Sn金属三明治结构的材料。这些单层金属通过共价键作用和SiC基底结合，同时单层金属表面被石墨烯层保护，从而免受环境影响。

（2）这种二维金属原子层材料具有非常好的结晶性，此外这种原子层金属的键合性质和本征情况有明显区别（通过共价键和SiC作用，通过范德瓦尔斯作用和表面石墨烯作用），这使材料展现了独特性质。比如，Ga金属的这种材料显示在3.2 K中体现出超导作用，这比Ga块体材料的超导温度高（1.08 K），比亚稳态β-Ga金属超导温度（~ 6 K）低。并且相关测试在空气中进行，说明这种结构中界面石墨烯层展现了非常好的保护能力。除了Ga，In，Sn能实现这种生长，多种多样的其他材料也能够发生类似过程（如Al，Au，Bi，Cu，F，Fe，FeCl₃，GaN，Ge，H，H₂O，Li，Mn，N，Na，O，Pb，Pt，Si，Yb等）。这种方法得到的多种多样的原子层材料对各种量子性质的测试和应用有着重要意义。

参考文献

Claire Berger*; Walt A. de Heer*

Flat and safe under the graphene sheet, Nat. Mater. 2020, 

DOI: 10.1038/s41563-020-0666-z

https://www.nature.com/articles/s41563-020-0666-z