五度妙笔
API商城
数据库突破二维材料极限，我国科学家首次制备狭义一维材料
2026年5月6日中国科学院化学研究所郑健研究员、崔雪萍副研究员、董际臣研究员和北京大学郭雪峰教授研究团队在Nature Synthesis首次报道狭义一维材料，材料科学正式从 “二维时代”迈向“一维新境”。狭义一维材料，是原子尺度下，人类能造出的、最完美、最小、最省电、最快的固态晶体管材料，未来有望达到半导体材料摩尔定律的终点。
一、从三维到二维，材料的 “降维进化论”
我们熟知的金属、陶瓷、塑料，都是拥有长、宽、高的三维材料，原子在空间中紧密堆叠，电子可在三个方向自由运动。
2004 年石墨烯被首次剥离出来，人类正式叩开二维材料的大门。二维材料是 “抹平一个维度” 的产物，厚度仅为单个或少数几个原子（约 A4 纸百万分之一），电子被限制在平面内运动。此后二十余年，二维材料凭借单原子层厚度、超高载流子迁移率、优异力学柔性等特性，在电子、储能、传感等领域掀起革命。
但二维材料的局限与生俱来：平面内电子散射仍不可避免；层与层之间的范德华力易导致堆叠团聚，堵塞离子传输通道；在高频器件、超高灵敏度传感等场景，其性能已接近理论极限。于是，科学家将目光投向更极致的维度 ——狭义一维材料。
二、狭义一维材料：不止 “细一点”，是维度的本质跨越
就像单层二维范德华晶体发现之前，“二维”被广泛的用于描述层状材料和薄膜。之前“一维”被泛用于描述高径向比的材料，其实都应归属于“准一维材料”。
很多人会混淆 “准一维材料” 与 “狭义一维材料”。传统的碳纳米管、金属纳米线，纳米线，属于准一维材料—— 外形呈线状，但原子排列仍有二维特征，电子运动未被完全限制在单一方向。而狭义一维材料，即单根一维范德华晶体，是材料降维的“终极形态”：
原子结构：由强化学键连接成原子级宽度的单链，仅在长度方向延伸，另外两个维度压缩至原子级为闭合的化学键，有着原子级平整的范德华面。
电子行为：电子被完全限制在一维原子链内，只能沿链方向 “直线运动”，垂直链方向的迁移率趋近于零，是真正意义上的 “一维电子系统”。
相对于二维材料，一维结构对于缺陷的非容忍性是其难以制备的重要瓶颈，丢失少量原子只能在二维材料中带来纳米孔，然而对于一维材料意味着结构的断裂，因此制备高质量单根一维材料一直是物质科学的极限挑战。
中国科学院的郑健研究员崔雪萍副研究员董际臣研究员与北京大学郭雪峰教授合作首次制备了狭义一维材料即单根一维范德华晶体。范德华一维材料类似于范德华二维材料，原子链内是由强的共价键连接，而原子链之间是由弱的范德华力连接而成。这种单根原子链是自上而下从一维范德华单晶中剥离获得，具有固定的化学结构。由于其在二维方向是闭合的化学键，并没有悬键或者自由基，具有稳定的化学性质，在空气中可以稳定的存在。单链一维具有非常高的晶体质量，由于二维方向的量子局域化效应，这是一种一维半导体，使其单电子晶体管显示良好的库伦菱形。这种方法还具有很好的普适性，可以将块体一维范德华材料（PdGeS3、SbPS4）甚至准一维材料（Ta2Pd3Se8和Ta2Pt3Se8）剥离成单根一维范德华晶体。一维单原子链纳米线单原子链纳米线具有约0.8nm的宽度和微米级的长度，具有原子级光滑的范德华表面，良好的晶体结构和环境稳定性。
拉曼光谱和XPS证实剥离后单根PdGeS3晶体的结晶度和表面稳定性。剥离的狭义一维材料可以在空气中长期稳定存在，并且不易被水和氧气等物质氧化，可以在空气中保持一个月以上。这种稳定性为单根一维范德华材料未来的性质研究和广泛应用提供了可能。
研究人员利用紫外发射光谱（UPS）和低能逆反射光谱（LEIPS）研究了剥离后量子线的能带结构。单分散狭义一维材料半导体带隙约为2.1 eV。紫外-可见吸收光谱测得光学带隙为2.02 eV，与电学带隙相近。而体相晶体光学带隙为1.81 eV。与层状材料剥离成单层二维材料类似，由于量子约束效应，一维链价带中的空穴和导带电子受到表面势垒或势阱的限制。因此，随着纳米线变为单根，周围相邻链间的耦合作用的消失，价带和导带之间的带隙能量增加。
由于狭义一维材料样品具有高收率，较长的长度使其非常容易构筑单根器件，极端的尺寸和量子限域效应，使电流也被限域成最小的量子状态，即单电子场效应输运特性，这接近于分子电子学的量子行为。电子在单个沟道中传递，通过调节电势，使沟道中量子线电势与沟道两端势垒产生共振，从而电子可从电极传输至纳米线中。图3是原子链纳米线三电极器件在测得的库仑稳定性图，可以看到由于库仑排斥作用，当沟道中已存在一个电子时，下一个电子将无法从电极隧穿进入量子线沟道中，SET电导将出现明显抑制区域，显示出在多电子状态下单电子通过单个库仑阻塞点传输的典型特征。这些库仑菱形具有明显的周期性，显示出相同的斜度和大小，具有清晰的边缘，表明器件中。在不同的器件中均能够观察到库仑阻塞现象，说明器件的很好的重复性。
未来狭义一维晶体也可能会像现在的二维材料一样丰富多样，具有宽广的能带范围，从绝缘体半导体到导体甚至超导体，成为未来新一代亚纳米器件的核心材料，用于极端密度的大规模集成电路或量子计算。这种高质量的单根一维单晶也为未来物理、化学性质研究提供简练的一维理论研究平台。
图 1 单链 1D PdGeS3晶体结构及制备过程示意图
图 2 单链1D晶体形貌结构表征
图 3 单链 1D PdGeS3晶体的单电子场效应晶体管表征
三、从实验室到应用：狭义一维材料的 “未来图景”
狭义一维材料的诞生，不是二维材料的简单 “细化”，而是材料科学的范式革命—— 它彻底释放了低维材料的量子潜力，为解决二维材料瓶颈、实现技术跨越提供了全新路径。
未来，狭义一维材料将颠覆多个核心领域：
下一代芯片：二维材料中电子易受晶格散射、层间阻碍；而狭义一维材料的原子链呈 “直线通道”，电子沿链运动几乎无散射。狭义一维材料，是原子尺度下，人类能造出的、最完美、最小、最省电、最快的固态晶体管材料，未来有望达到摩尔定律的终点。再往下，就没有适合做逻辑电路的物质了。
超级储能设备：一维材料的高速离子通道，让电池充电时间缩短至分钟级，能量密度提升 2–3 倍，适配新能源汽车、航空航天需求。
超高灵敏度传感器：一维材料的表面原子全暴露，对气体、生物分子的灵敏度达单分子级别，可用于疾病早期筛查、环境微量污染物检测。
柔性电子与量子器件：超柔性一维材料可制备可折叠手机、柔性显示屏；其独特的一维量子效应，是量子计算、量子通信的核心候选材料。
