在《科學(xué)》雜志上發(fā)表的一份新報(bào)告中，洪一倫和中國(guó)和英國(guó)的一組材料科學(xué)，工程學(xué)和先進(jìn)技術(shù)研究科學(xué)家對(duì)二維(2-D)材料進(jìn)行了研究，以發(fā)現(xiàn)新現(xiàn)象和不同尋常的性質(zhì)。該團(tuán)隊(duì)在基于化學(xué)氣相沉積的氮化鉬生長(zhǎng)過(guò)程中引入了元素硅，以鈍化其表面并用諸如MoSi 2 N 4的硅開(kāi)發(fā)厘米級(jí)的單層氮化物膜。。他們用氮-硅-氮-鉬-氮-硅-氮(N-Si-N-Mo-N-Si-N)的順序構(gòu)建了具有七個(gè)原子層的單層膜，所得材料顯示出半導(dǎo)體行為和在環(huán)境條件下具有出色的穩(wěn)定性。利用密度泛函理論(DFT)的計(jì)算，科學(xué)家預(yù)測(cè)了這類(lèi)單層結(jié)構(gòu)的二維材料的大范圍存在，并將其用于半導(dǎo)體，金屬和磁性半金屬。

二維材料

二維材料具有吸引人的特性，適合各種技術(shù)應(yīng)用。其中，過(guò)渡金屬碳化物和氮化物(TMC和TMN)可以形成大量的非層狀材料，以結(jié)合陶瓷和金屬的特性。MAX相形成了單層MXene的基礎(chǔ)，其中M代表早期過(guò)渡金屬，A是鋁或硅等A族元素，X是碳，氮或兩者?？梢酝ㄟ^(guò)蝕刻A元素層來(lái)選擇性地合成這種單層膜。這些材料具有親水性(親水性)表面和高電導(dǎo)率，具有廣闊的應(yīng)用前景，包括儲(chǔ)能，傳感器和催化作用?？茖W(xué)家最近開(kāi)發(fā)了一種化學(xué)氣相沉積(CVD)方法，以生長(zhǎng)具有不同結(jié)構(gòu)的高質(zhì)量，無(wú)層二維TMC和TMN晶體。但是表面能的約束導(dǎo)致非層狀材料以島狀而不是層狀生長(zhǎng)。在這項(xiàng)工作中，洪等人。因此，使用化學(xué)氣相沉積法生長(zhǎng)了2-D氮化鉬和MoSi 2 N 4化合物。

開(kāi)發(fā)和表征新形成的二維材料

在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，科學(xué)家使用銅/鉬(Cu / Mo)雙層作為底物，并使用氨(NH 3)氣體作為氮源。當(dāng)他們將元素硅引入實(shí)驗(yàn)裝置時(shí)，襯底的生長(zhǎng)明顯改變，形成了均勻的多晶膜。該團(tuán)隊(duì)使用原子力顯微鏡(AFM)確定了材料表面的厚度，并指出表面生長(zhǎng)過(guò)程是可靠的。通常，將元素添加到生長(zhǎng)的2D材料中只會(huì)導(dǎo)致?lián)诫s而不改變基質(zhì)的晶體結(jié)構(gòu)。但是在這種情況下，添加硅導(dǎo)致了新的單層化合物，而不是簡(jiǎn)單地?fù)诫s襯底。Hong等。使用先進(jìn)的透射電子顯微鏡(TEM)鑒定了新形成的二維材料的晶體結(jié)構(gòu)，并使用能量色散X射線能譜(EDS)，電子能量損失能譜(EELS)和X射線光電子能譜測(cè)試了其表面元素(XPS)。

確認(rèn)MoSi 2 N 4配方并突出顯示材料特性。

由于使用透射電子顯微鏡難以對(duì)氮原子的精確位置成像，因此該團(tuán)隊(duì)對(duì)化合物進(jìn)行了密度泛函理論(DFT)計(jì)算，以揭示其結(jié)構(gòu)式。該方法證實(shí)了含有MoSi 2 N 4分子式的范德華(vdW)層狀二維材料的存在。然后，使用分子動(dòng)力學(xué)計(jì)算，他們觀察到該結(jié)構(gòu)是動(dòng)態(tài)和熱力學(xué)穩(wěn)定的，而拉曼光譜 表明MoSi 2 N 4結(jié)構(gòu)的晶體質(zhì)量很高。再次使用DFT計(jì)算，Hong等人注意到MoSi 2 N 4保持半導(dǎo)體特性(光學(xué)和電特性)的單層膜，以及依賴于材料彈性模量的載流子遷移率。

為了研究單層MoSi 2 N 4薄膜的光學(xué)特性，Hu等人。將其轉(zhuǎn)移到藍(lán)寶石襯底上并測(cè)量其帶隙，在那里，半導(dǎo)體單層保持了與石墨烯相當(dāng)?shù)母咄腹饴?。為了測(cè)試材料的電傳輸性能，Hong等人。制造了背柵場(chǎng)效應(yīng)晶體管器件，以觀察典型的半導(dǎo)體行為。然后，科學(xué)家使用納米壓痕技術(shù)測(cè)量了單層薄膜的機(jī)械性能。突出膜的彈性行為。新形成的材料顯示用于處理，存儲(chǔ)，和在環(huán)境條件下處理長(zhǎng)期穩(wěn)定性沒(méi)有保護(hù)環(huán)境不同于其它材料。

創(chuàng)建廣泛的2-D范德華(vdW)分層材料

Hong等。展示了基于額外的DFT計(jì)算，多種多樣的過(guò)渡金屬元素如何潛在地替代MoSi 2 N 4中的相應(yīng)元素，從而創(chuàng)建出具有相似晶體結(jié)構(gòu)的一類(lèi)廣泛的2-D范德華層狀材料。在這種情況下，它們代表通式為MA 2 Z 4的材料，其中M代表早期過(guò)渡金屬，A是硅或鍺，Z代表氮，磷或砷。MA 2 Z 4中的元素多樣性通過(guò)在光電子，電子和自旋電子學(xué)中的應(yīng)用，允許其帶隙和磁性能的廣泛可調(diào)性。使用這種材料，科學(xué)家將能夠研究層狀材料中存在的迄今未知的令人興奮的特性和應(yīng)用。這樣，此處描述的化學(xué)氣相沉積方法將為合成二維和單層形式的多種材料鋪平道路。