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近日，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。
以石墨(mo)烯(xi)为代表的(de)(de)二维(wei)范(fan)德华层状材(cai)料具有独(du)特的(de)(de)电学(xue)、光(guang)学(xue)、力学(xue)、热学(xue)等(deng)性(xing)质，在电子、光(guang)电子、能源(yuan)、环境(jing)、航空航天(tian)等(deng)领域具有广阔的(de)(de)应(ying)用(yong)(yong)前(qian)景。目(mu)前(qian)，广泛研究的(de)(de)二维(wei)层状材(cai)料，如石墨(mo)烯(xi)、氮化硼、过渡金属硫族化合物、黑磷(lin)烯(xi)等(deng)，均存在已知的(de)(de)三维(wei)母体(ti)材(cai)料。探索(suo)不存在已知三维(wei)母体(ti)材(cai)料的(de)(de)二维(wei)层状材(cai)料，可拓(tuo)展(zhan)二维(wei)材(cai)料的(de)(de)物性(xing)和应(ying)用(yong)(yong)，具有重(zhong)要的(de)(de)科(ke)学(xue)意义和实(shi)用(yong)(yong)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(biao)面能约束，富含表(biao)面悬键的(de)非层(ceng)状材(cai)料倾向于岛状生长，难以得到(dao)厚度均一的(de)单层(ceng)材(cai)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(de)二维层状材料，包含不(bu)同带(dai)隙的(de)半(ban)导体、金属和磁性半(ban)金属等。
该研究开拓了全新的二维层状MoSi2N4材料(liao)(liao)家族，拓展(zhan)了(le)二维材料(liao)(liao)的(de)物性和应用，并(bing)开辟了(le)制备全新二维范德华(hua)层状材料(liao)(liao)的(de)研究方向，为获得更(geng)多新型二维材料(liao)(liao)提供了(le)新思路。
研究工作受到国(guo)(guo)家(jia)自(zi)然科学(xue)(xue)基金委杰出青年科学(xue)(xue)基金、重大(da)项(xiang)(xiang)目，中(zhong)科院从0到1原(yuan)始创新(xin)项(xiang)(xiang)目、战略性先导科技专项(xiang)(xiang)，以及国(guo)(guo)家(jia)重点研发计划等的资助(zhu)。
图1.CVD生长二维层状MoSi2N4
图2.二维层状MoSi2N4的结构表征
图3.二维层状MoSi2N4的原子结构(gou)、电子结构(gou)、及光学(xue)、电学(xue)和力学(xue)性质
图4.理论预测的二维层状MoSi2N4材料家族