中科院金屬研究所任文才團隊最新Science：具有普適性的層狀二維材料MoSi2N4的化學氣相沉積生長策略

CYM 3年前 (2020-08-07) 6907瀏覽

【引言】?

?二維（2D）材料由于在單層極限中出現的特性和各種應用而吸引了越來越多的關注。過渡金屬碳化物和氮化物（TMCs和TMNs）是結合陶瓷和金屬性質的一大類非層狀材料，其中MAX相（M為早期過渡金屬，A為Al或Si，X為碳，氮或兩者）是單層MXene的基礎，其通過選擇性刻蝕A元素層而合成最終合成。由此制備的二維材料既具有親水性表面，又具有高導電性，并能夠在包括能量儲存，電磁干擾屏蔽，復合材料，傳感器，和催化等方面保持著廣泛的應用。然而，化學刻蝕只能產生具有六方結構的表面端缺陷薄片和特定分子式M_n+1X_nT_x（其中T_x代表羥基，氧或氟），在環境氧和水存在的條件下不穩定，表現出低于理論值的力學性質。進一步的研究表明，開發的化學氣相沉積（CVD）方法，生長高品質晶體具有不同結構的原始非層狀2D TMC和TMN，如斜方晶系的Mo₂C，六方WC，立方TaC，以及六邊形的TaN成為可能?。然而，由于表面能的限制，這些非層狀材料傾向于作為島狀而不是層生長，當沉積的材料具有比生長襯底（11）小的表面能時，傾向于發生層生長。鈍化高表面能的位點以促進層生長是TMC或TMN膜均勻生長至單層極限的關鍵。

近日，?中科院金屬研究所任文才團隊（通訊作者）在非層狀氮化鉬（MoN₂）化學氣相沉積生長（CVD）過程中引入了元素硅（Si），可以鈍化非分層2D?MoN₂的表面，從而使得MoSi₂N₄的厘米級單層膜得以生長。該單層由N-Si-N-Mo-N-Si-N的原子層構成，可以看作MoN₂層夾在兩個Si-N雙層之間。由此制備出的材料表現出帶隙約為1.94?eV的半導體性能，約為66?GPa的高強度以及出色的環境穩定性。同時通過密度泛函理論計算預測了此類單層結構二維層狀材料的大家族，包括半導體，金屬和磁性半金屬材料。相關研究成果以“Chemical vapor deposition of layered?two-dimensional MoSi₂N₄?materials”為題于2020年8月7日在線發表于Science上。

【圖文導讀】

具體而言，實驗以Cu/Mo雙層為襯底，以NH₃為氮源，在不添加Si的情況下，僅獲得微米級的非分層2D Mo₂N（約10 nm）。然而，當引入元素Si時，生長明顯發生改變。最初形成具有均勻厚度（在相同光學對比度下）的三角形區域，然后隨著生長時間的延長而擴展并合并，直到最終獲得厘米級的均勻多晶膜。通過原子力顯微鏡（AFM）確定的域厚度約為1.17 nm，在整個生長過程中保持不變，在延長生長時間30min后，沒有形成額外的層。域的厚度和覆蓋率隨生長時間的變化而變化，其表面生長行為類似于石墨烯在Cu（12）上的生長。而且，該表面生長過程非常牢固，盡管可以通過提高生長溫度或減小Cu箔的厚度來提高生長速率，但厚度與生長溫度和Cu箔的厚度在較寬的生長窗口中無關。

圖一、MoSi₂N₄的?CVD生長過程