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圖1. CVD生長二維層狀MoSi₂N₄

　　以石墨烯為代表的二維范德華層狀材料具有獨(dú)特的電學(xué)、光學(xué)、力學(xué)、熱學(xué)等性質(zhì)，在電子、光電子、能源、環(huán)境、航空航天等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)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(yīng)用，具有重要的科學(xué)意義和實(shí)用價值。 

　　2015年，沈陽材料科學(xué)國家研究中心任文才、成會明團(tuán)隊發(fā)明了雙金屬基底化學(xué)氣相沉積（CVD）方法，制備出了多種不同結(jié)構(gòu)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(fā)現(xiàn)超薄Mo₂C為二維超導(dǎo)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。 

圖2. 二維層狀MoSi₂N₄的結(jié)構(gòu)表征

　　該團(tuán)隊最近研究發(fā)現(xiàn)，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，可以看成是由兩個Si-N層夾持單層MoN（N-Mo-N）構(gòu)成。采用類似方法，還制備出了單層WSi₂N₄。 

圖3. 二維層狀MoSi₂N₄的原子結(jié)構(gòu)、電子結(jié)構(gòu)、及光學(xué)、電學(xué)和力學(xué)性質(zhì)

　　在此基礎(chǔ)上，他們與金屬所陳星秋研究組和孫東明研究組合作，發(fā)現(xiàn)單層MoSi₂N₄具有半導(dǎo)體性質(zhì)（帶隙約1.94 eV）和優(yōu)于MoS₂的理論載流子遷移率，還表現(xiàn)出優(yōu)于MoS₂等單層半導(dǎo)體材料的力學(xué)強(qiáng)度和穩(wěn)定性；并通過理論計算預(yù)測出了十多種與單層MoSi₂N₄具有相同結(jié)構(gòu)的二維層狀材料，包含不同帶隙的半導(dǎo)體、金屬和磁性半金屬等。 

圖4. 理論預(yù)測的二維層狀MoSi₂N₄材料家族

　　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(yīng)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。 

　　該工作得到了國家自然科學(xué)基金委杰出青年科學(xué)基金、重大項目、中國科學(xué)院從0到1原始創(chuàng)新項目、先導(dǎo)項目以及國家重點(diǎn)研發(fā)計劃等的資助。