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發現二維層狀MoSi2N4材料家族


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,可極大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。

先進炭材料研究部石墨烯等二維材料研究團隊發現,在化學氣相沉積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,并獲得了厘米級單層薄膜。單層MoSi2N4包含N-Si-N-Mo-N-Si-N 7個原子層,由兩個Si-N層夾持單層MoN(N-Mo-N)構成。他們進一步與陳星秋和孫東明研究組合作,發現該材料具有半導體性質(帶隙約1.94 eV)和優于MoS2的理論載流子遷移率,還表現出優于MoS2等單層半導體材料的力學強度和穩定性;并通過理論計算預測出了十多種與單層MoSi2N4具有相同結構的二維范德華層狀材料,包含不同帶隙的半導體、金屬和磁性半金屬。

該工作不僅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,而且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。

該工作于2020年8月7日發表在《科學》(Science, 369 (2020) 670)上,被石墨烯發現者、諾貝爾獎獲得者KS Novoselov教授評價為“二維材料發展的一個里程碑”。

圖1. 二維層狀MoSi2N4材料及其性質。

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