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工程与材料科学部

    我国学者发现二维层状MoSi2N4材料家族

    日期 2020-08-12   来源:工程与材料科学部   作者:陈克新 熊杰  【 】   【打印】   【关闭


      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