任文才等Science:发现二维层状MoSi2N4材料家族

luzao

8月7日，国际学术期刊《Science》在线发表了我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“Chemical vapor deposition of layered two-dimensional MoSi2N4 materials”。
　　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，可极大拓展二维材料的物性和应用，具有重要的科学意义和实用价值。
　　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。

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、电子结构、及光学、电学和力学性质

图4. 理论预测的二维层状MoSi2N4材料家族

　　该团队最近研究发现，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，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，还制备出了单层WSi2N4。
　　在此基础上，他们与我所陈星秋研究组和孙东明研究组合作，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，还表现出优于MoS2等单层半导体材料的力学强度和稳定性；并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层状材料，包含不同带隙的半导体、金属和磁性半金属等。
　　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。
　　该工作得到了国家自然科学基金委杰出青年科学基金、重大项目、中国科学院从0到1原始创新项目、先导项目以及国家重点研发计划等的资助。  
　　原文链接 ：https://science.sciencemag.org/content/369/6504/670


        文章来源：金属所
        任文才，中国科学院金属研究所研究员，国家杰出青年科学基金获得者。主要从事石墨烯等二维晶体材料研究。迄今在Nature Materials、Nature Nanotechnology、Nature Communications、PNAS、Advanced Materials、JACS等期刊发表SCI论文80多篇，被SCI引用10,000多次；申请国家发明专利和PCT专利40余项，其中获授权20余项（含3项国际专利），1项已实施。他曾获中国青年科技奖、中国科学院青年科学家奖、辽宁省自然科学一等奖、国家自然科学二等奖等，并入选了科技部创新人才推进计划“中青年科技创新领军人才”。