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金屬所發現二維層狀MoSi2N4材料家族

2020-08-07 金屬研究所
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  8月7日,中國科學院金屬研究所沈陽材料科學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、光學、力學、熱學等性質,在電子、光電子、能源、環境、航空航天等領域具有廣闊的應用前景。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用,具有重要的科學意義和實用價值。

  2015年,沈陽材料科學國家研究中心任文才、成會明團隊發明雙金屬基底化學氣相沉積(CVD)方法,制備出多種不同結構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,并發現超薄Mo2C為二維超導體(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。

  該團隊近日研究發現,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)構成。采用類似方法,還制備出單層WSi2N4。

  在此基礎上,研究團隊與金屬所陳星秋研究組、孫東明研究組合作,發現單層MoSi2N4具有半導體性質(帶隙約1.94 eV)和優于MoS2的理論載流子遷移率,并表現出優于MoS2等單層半導體材料的力學強度和穩定性;通過理論計算預測出十多種與單層MoSi2N4具有相同結構的二維層狀材料,包含不同帶隙的半導體、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基金委杰出青年科學基金、重大項目,中科院從0到1原始創新項目、戰略性先導科技專項,以及國家重點研發計劃等的資助。

  論文鏈接 

圖1.CVD生長二維層狀MoSi2N4

圖2.二維層狀MoSi2N4的結構表征

圖3.二維層狀MoSi2N4的原子結構、電子結構、及光學、電學和力學性質

圖4.理論預測的二維層狀MoSi2N4材料家族

打印 責任編輯:侯茜

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