8月7日，中國科學(xué)院金屬研究所沈陽材料科學(xué)國家研究中心先進炭材料研究部在新型二維材料方面的最新進展，以Chemical vapor deposition of layered two-dimensional MoSi2N4 materials為題，在線發(fā)表在Science上。

　　以石墨烯為代表的二維范德華層狀材料具有獨特的電學(xué)、光學(xué)、力學(xué)、熱學(xué)等性質(zhì)，在電子、光電子、能源、環(huán)境、航空航天等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。目前，廣泛研究的二維層狀材料，如石墨烯、氮化硼、過渡金屬硫族化合物、黑磷烯等，均存在已知的三維母體材料。探索不存在已知三維母體材料的二維層狀材料，可拓展二維材料的物性和應(yīng)用，具有重要的科學(xué)意義和實用價值。

　　2015年，沈陽材料科學(xué)國家研究中心任文才、成會明團隊發(fā)明雙金屬基底化學(xué)氣相沉積（CVD）方法，制備出多種不同結(jié)構(gòu)的非層狀二維過渡金屬碳化物晶體，如正交Mo2C、六方WC和立方TaC，并發(fā)現(xiàn)超薄Mo2C為二維超導(dǎo)體（Nature Materials, 2015）。然而，受表面能約束，富含表面懸鍵的非層狀材料傾向于島狀生長，難以得到厚度均一的單層材料。

　　該團隊近日研究發(fā)現(xiàn)，在CVD生長非層狀二維氮化鉬的過程中，引入硅元素可以鈍化其表面懸鍵，從而制備出一種不存在已知母體材料的全新的二維范德華層狀材料MoSi2N4，并獲得厘米級單層薄膜。單層MoSi2N4包含N-Si-N-Mo-N-Si-N 7個原子層，可以看成是由兩個Si-N層夾持單層MoN（N-Mo-N）構(gòu)成。采用類似方法，還制備出單層WSi2N4。

　　在此基礎(chǔ)上，研究團隊與金屬所陳星秋研究組、孫東明研究組合作，發(fā)現(xiàn)單層MoSi2N4具有半導(dǎo)體性質(zhì)（帶隙約1.94 eV）和優(yōu)于MoS2的理論載流子遷移率，并表現(xiàn)出優(yōu)于MoS2等單層半導(dǎo)體材料的力學(xué)強度和穩(wěn)定性；通過理論計算預(yù)測出十多種與單層MoSi2N4具有相同結(jié)構(gòu)的二維層狀材料，包含不同帶隙的半導(dǎo)體、金屬和磁性半金屬等。

　　該研究開拓了全新的二維層狀MoSi2N4材料家族，拓展了二維材料的物性和應(yīng)用，并開辟了制備全新二維范德華層狀材料的研究方向，為獲得更多新型二維材料提供了新思路。

　　研究工作受到國家自然科學(xué)基金委杰出青年科學(xué)基金、重大項目，中科院從0到1原始創(chuàng)新項目、戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項，以及國家重點研發(fā)計劃等的資助。

圖1.CVD生長二維層狀MoSi2N4

圖2.二維層狀MoSi2N4的結(jié)構(gòu)表征

圖3.二維層狀MoSi2N4的原子結(jié)構(gòu)、電子結(jié)構(gòu)、及光學(xué)、電學(xué)和力學(xué)性質(zhì)

圖4.理論預(yù)測的二維層狀MoSi2N4材料家族