在国家自然科学基金项目（批准号：51325205、51725103、51290273、51521091）等资助下，中国科学院金属研究所沈阳材料科学国家研究中心任文才研究员、成会明院士团队与陈星秋研究员、孙东明研究员合作，发现了全新的二维层状MoSi2N4材料家族。研究成果以“层状二维MoSi2N4材料的化学气相沉积（Chemical vapor deposition of layered two-dimensional MoSi2N4 materials）”为题，于2020年8月7日在线发表于《科学》（Science）期刊上。论文链接为：https://science.sciencemag.org/content/369/6504/670。
以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，对于拓展二维材料的物性和应用具有重要意义。
此前，研究团队发明了双金属基底化学气相沉积（CVD）方法，制备出了多种不同结构的非层状二维过渡金属碳化物晶体，如正交碳化钼（Mo2C）、六方碳化钨（WC）和立方碳化钽（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，因此难以得到厚度均一的单层材料。
该团队最新研究发现，在CVD生长非层状二维氮化钼（MoN）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，并获得了厘米级单层薄膜。单层MoSi2N4包含N-Si-N-Mo-N-Si-N 7个原子层，由两个Si-N层夹持单层MoN（N-Mo-N）构成。进一步发现，该材料具有半导体性质（带隙约1.94 eV）和优于MoS2的理论载流子迁移率，还表现出优于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了十多种与单层MoSi2N4具有相同结构的二维范德华层状材料，包含不同带隙的半导体、金属和磁性半金属。
该工作不仅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，而且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。
图1. CVD生长二维层状MoSi2N4
图2. 二维层状MoSi2N4的原子结构、电子结构及其光学、电学和力学性质
图3. 理论预测的二维层状MoSi2N4材料家族