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    我國學者發現二維層狀MoSi2N4材料家族

    日期 2020-08-12   來源:工程與材料科學部   作者:陳克新 熊杰  【 】   【打印】   【關閉

      在國家自然科學基金項目(批準號:51325205、51725103、51290273、51521091)等資助下,中國科學院金屬研究所沈陽材料科學國家研究中心任文才研究員、成會明院士團隊與陳星秋研究員、孫東明研究員合作,發現了全新的二維層狀MoSi2N4材料家族。研究成果以“層狀二維MoSi2N4材料的化學氣相沉積(Chemical vapor deposition of layered two-dimensional MoSi2N4 materials)”為題,于2020年8月7日在線發表于《科學》(Science)期刊上。論文鏈接為:https://science.sciencemag.org/content/369/6504/670。

      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,對于拓展二維材料的物性和應用具有重要意義。

      此前,研究團隊發明了雙金屬基底化學氣相沉積(CVD)方法,制備出了多種不同結構的非層狀二維過渡金屬碳化物晶體,如正交碳化鉬(Mo2C)、六方碳化鎢(WC)和立方碳化鉭(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,因此難以得到厚度均一的單層材料。

      該團隊最新研究發現,在CVD生長非層狀二維氮化鉬(MoN)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。進一步發現,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;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。

    圖1. CVD生長二維層狀MoSi2N4

    圖2. 二維層狀MoSi2N4的原子結構、電子結構及其光學、電學和力學性質

    圖3. 理論預測的二維層狀MoSi2N4材料家族




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