中科院金属研究所任文才团队最新Science：具有普适性的层状二维材料MoSi2N4的化学气相沉积生长策略

【引言】 

 二维（2D）材料由于在单层极限中出现的特性和各种应用而吸引了越来越多的关注。过渡金属碳化物和氮化物（TMCs和TMNs）是结合陶瓷和金属性质的一大类非层状材料，其中MAX相（M为早期过渡金属，A为Al或Si，X为碳，氮或两者）是单层MXene的基础，其通过选择性刻蚀A元素层而合成最终合成。由此制备的二维材料既具有亲水性表面，又具有高导电性，并能够在包括能量储存，电磁干扰屏蔽，复合材料，传感器，和催化等方面保持着广泛的应用。然而，化学刻蚀只能产生具有六方结构的表面端缺陷薄片和特定分子式M_n+1X_nT_x（其中T_x代表羟基，氧或氟），在环境氧和水存在的条件下不稳定，表现出低于理论值的力学性质。进一步的研究表明，开发的化学气相沉积（CVD）方法，生长高品质晶体具有不同结构的原始非层状2D TMC和TMN，如斜方晶系的Mo₂C，六方WC，立方TaC，以及六边形的TaN成为可能 。然而，由于表面能的限制，这些非层状材料倾向于作为岛状而不是层生长，当沉积的材料具有比生长衬底（11）小的表面能时，倾向于发生层生长。钝化高表面能的位点以促进层生长是TMC或TMN膜均匀生长至单层极限的关键。

近日， 中科院金属研究所任文才团队（通讯作者）在非层状氮化钼（MoN₂）化学气相沉积生长（CVD）过程中引入了元素硅（Si），可以钝化非分层2D MoN₂的表面，从而使得MoSi₂N₄的厘米级单层膜得以生长。该单层由N-Si-N-Mo-N-Si-N的原子层构成，可以看作MoN₂层夹在两个Si-N双层之间。由此制备出的材料表现出带隙约为1.94 eV的半导体性能，约为66 GPa的高强度以及出色的环境稳定性。同时通过密度泛函理论计算预测了此类单层结构二维层状材料的大家族，包括半导体，金属和磁性半金属材料。相关研究成果以“Chemical vapor deposition of layered two-dimensional MoSi₂N₄ materials”为题于2020年8月7日在线发表于Science上。

【图文导读】

具体而言，实验以Cu/Mo双层为衬底，以NH₃为氮源，在不添加Si的情况下，仅获得微米级的非分层2D Mo₂N（约10 nm）。然而，当引入元素Si时，生长明显发生改变。最初形成具有均匀厚度（在相同光学对比度下）的三角形区域，然后随着生长时间的延长而扩展并合并，直到最终获得厘米级的均匀多晶膜。通过原子力显微镜（AFM）确定的域厚度约为1.17 nm，在整个生长过程中保持不变，在延长生长时间30min后，没有形成额外的层。域的厚度和覆盖率随生长时间的变化而变化，其表面生长行为类似于石墨烯在Cu（12）上的生长。而且，该表面生长过程非常牢固，尽管可以通过提高生长温度或减小Cu箔的厚度来提高生长速率，但厚度与生长温度和Cu箔的厚度在较宽的生长窗口中无关。

图一、MoSi₂N₄的 CVD生长过程

图二、MoSi₂N₄的结构表征

图三、MoSi₂N₄的原子结构，能带结构以及光，电和机械性能

图四、MA₂Z₄的DFT预测

文献链接：“Chemical vapor deposition of layered two-dimensional MoSi₂N₄ materials”(Science，2020，10.1126/science.abb7023)

本文由材料人CYM编译供稿。