诺奖得主领衔,最新Nature Reviews Physics:新型二维材料问世!
米测 MeLab 纳米人 2024-07-01
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研究背景
随着二维材料领域的快速发展和广泛应用,科学界对于新型二维材料的探索和合成变得愈加重要和迫切。传统上,二维材料通常是由具有层状结构的三维晶体通过剥离或特定化学处理得到的,例如石墨烯和过渡金属硼化物(MXenes)。然而,直到最近,没有人工合成的二维材料能够脱离其三维对应体,这在科学界被认为是一个重要的技术和理论挑战。

对于不存在天然层状晶体的二维材料,由于其独特的结构和潜在应用,对其研究变得越来越重要。例如,MoSi2N4这样的七层二维材料,它的结构可以被描述为MoN2晶体层插入Si2N2层中。这种结构不仅展示了复杂的层状排列,还可能具有破坏镜面对称性的性质,如Janus结构,这对于催化和光电应用具有重要意义。

然而,这些新型材料的合成及其电子性质的理解,一直是挑战和研究焦点。传统的剥离和化学刻蚀方法在这种情况下不适用,因此,研究人员需要开发新的合成方法和理论模型来实现这些材料的控制合成和属性预测。

为了解决这些挑战,瑞士保罗谢勒研究所T. Latychevskaia, 新加坡国立大学)D. A. Bandurin 和 K. S. Novoselov合作在“Nature Reviews Physics”期刊上发表了题为“A new family of septuple-layer 2D materials of MoSi2N4-like crystals”的最新综述。他们展开了积极的研究,试图解决如何在没有天然层状晶体的情况下合成二维材料的问题。特别地,他们利用化学气相沉积(CVD)技术和其它创新方法,成功地合成了MoSi2N4和WSi2N4等七层材料。这些成果不仅证明了新材料的可能性,还开启了一个新的研究领域,即探索并合成没有三维对应体的二维材料家族。    

本研究的关键贡献在于提出了一种新型材料范式,即七层二维材料的概念,并系统地分类和分析了这一材料家族的成员。通过详细讨论其复杂的结构和多样的物理化学特性,我们揭示了这些材料在电子、光电和催化应用中的潜力。

研究亮点

  1. 实验发现在2020年报道了合成MoSi2N4,这是第一个七层二维材料,其不具备天然层状晶体结构,而是通过化学气相沉积方法成功合成。

  2. 实验采用了硅保护单层MoN2的方法,成功制备了MoSi2N4,通过透射电子显微镜确认其七层原子层结构为N-Si-N-Mo-N-Si-N。这一复杂的层状结构开辟了新的材料研究领域,其中MoN2以MoS2结构插层在Si2N2(类似于InSe结构)层之间。除了MoSi2N4外,还成功合成了其衍生物MoSi2N4(MoN)4n,展示了进一步层间插层的可能性。    

  3. 该材料家族不仅限于MoSi2N4,还包括类似的WSi2N4等成员,预示着未来可能合成更多类似材料。这些材料的电子性质非常吸引人,例如预测到的α2-WSi2Sb4在室温下具有超过105 cm2 (V s)1的空穴迁移率,显示出其在电子器件和应用方面的巨大潜力。

  4. 另一个引人注目的特点是这些材料的结构复杂性和多样性,尤其是具有破坏镜面反射对称性的Janus结构,如MoSiGeN4,这些结构具有内置的偶极矩,可能在催化和光电应用中发挥重要作用。


图文解读

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图1:MoSi2N4晶体家族结构。

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图2. MoSi2N4(MoN)4透射电子显微镜研究。

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图3. MA2Z4系列的谷对比特性。
   
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图 4:MA2Z4结构的触点。  
 
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图5:不同的激子和弛豫过程。

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图6: 在MoSi2N4–MoS2范德华异质结构中,能带排列和能隙。
   
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图7: MA2Z4材料的光催化性能。

总结展望

新型七层二维材料的发现为材料科学带来了重要的科学启迪。首先,这些材料展示了通过化学气相沉积等新方法合成具有复杂结构和多样性质的二维材料的可能性,打破了传统上仅通过剥离或刻蚀获取层状材料的范例。其次,七层的单位晶胞结构为探索多种晶体相变和电子性质提供了理想的平台,这对于研究新型量子现象和设计新的范德瓦尔斯异质结构具有重要意义。

此外,这些材料的相对较大厚度也为利用横向电场调控其性质开辟了新的研究方向,尤其在光催化和自旋电子学等领域具有潜在应用前景。最后,通过机器学习辅助设计和合成这类复杂材料,不仅可以加速材料发现的进程,还可以优化其性能以应对不同的应用需求。总体而言,这些发现为开发新型功能性材料和探索其在未来电子和光学器件中的应用提供了新的科学视角和技术路线。   
 
原文详情:
Latychevskaia, T., Bandurin, D.A. & Novoselov, K.S. A new family of septuple-layer 2D materials of MoSi2N4-like crystals. Nat Rev Phys (2024).
https://doi.org/10.1038/s42254-024-00728-x    

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