中科院金属所发现二维层状MoSi2N4材料家族

8月7日,中国科学院金属研究所沈阳材料科学国家研究中心先进炭材料研究部在新型二维材料方面的最新进展,以Chemical vapor deposition of layered two-dimensional MoSi2N4 materials为题,在线发表在Science上。

石墨烯为代表的二维范德华层状材料具有独特的电学、光学、力学、热学等性质,在电子、光电子、能源、环境、航空航天等领域具有广阔的应用前景。目前,广泛研究的二维层状材料,如石墨烯、氮化硼、过渡金属硫族化合物、黑磷烯等,均存在已知的三维母体材料。探索不存在已知三维母体材料的二维层状材料,可拓展二维材料的物性和应用,具有重要的科学意义和实用价值。

2015年,沈阳材料科学国家研究中心任文才、成会明团队发明双金属基底化学气相沉积(CVD)方法,制备出多种不同结构的非层状二维过渡金属碳化物晶体,如正交Mo2C、六方WC和立方TaC,并发现超薄Mo2C为二维超导体(Nature Materials, 2015)。然而,受表面能约束,富含表面悬键的非层状材料倾向于岛状生长,难以得到厚度均一的单层材料。

该团队近日研究发现,在CVD生长非层状二维氮化钼的过程中,引入硅元素可以钝化其表面悬键,从而制备出一种不存在已知母体材料的全新的二维范德华层状材料MoSi2N4,并获得厘米级单层薄膜。单层MoSi2N4包含N-Si-N-Mo-N-Si-N 7个原子层,可以看成是由两个Si-N层夹持单层MoN(N-Mo-N)构成。采用类似方法,还制备出单层WSi2N4

在此基础上,研究团队与金属所陈星秋研究组、孙东明研究组合作,发现单层MoSi2N4具有半导体性质(带隙约1.94 eV)和优于MoS2的理论载流子迁移率,并表现出优于MoS2等单层半导体材料的力学强度和稳定性;通过理论计算预测出十多种与单层MoSi2N4具有相同结构的二维层状材料,包含不同带隙的半导体、金属和磁性半金属等。

该研究开拓了全新的二维层状MoSi2N4材料家族,拓展了二维材料的物性和应用,并开辟了制备全新二维范德华层状材料的研究方向,为获得更多新型二维材料提供了新思路。

研究工作受到国家自然科学基金委杰出青年科学基金、重大项目,中科院从0到1原始创新项目、战略性先导科技专项,以及国家重点研发计划等的资助。

图1.CVD生长二维层状MoSi2N4

图1.CVD生长二维层状MoSi2N4

图2.二维层状MoSi2N4的结构表征

图2.二维层状MoSi2N4的结构表征

图3.二维层状MoSi2N4的原子结构、电子结构、及光学、电学和力学性质

图3.二维层状MoSi2N4的原子结构、电子结构、及光学、电学和力学性质

图4.理论预测的二维层状MoSi2N4材料家族

图4.理论预测的二维层状MoSi2N4材料家族

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