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研究背景

二維材料領(lǐng)域長期以來認(rèn)為，所有單原子厚度的材料必須源自于具有層狀結(jié)構(gòu)的三維晶體。這種教條主義觀點推動了許多研究人員利用機械剝離和化學(xué)合成方法獲得各種二維材料，如石墨烯和MXenes。然而，直到最近，沒有出現(xiàn)沒有三維對應(yīng)體的二維材料的例子。2020年，科學(xué)家們通過在MoN₂單層表面施加硅保護層，成功抑制了其進一步生長，并形成了MoSi₂N₄這樣的七層二維材料。這一發(fā)現(xiàn)打破了傳統(tǒng)認(rèn)知，成為新的研究熱點。

MoSi₂N₄的合成不僅令人振奮，還引發(fā)了對其電子性質(zhì)和結(jié)構(gòu)特征的廣泛研究興趣。盡管初步合成的MoSi₂N₄顯示出半導(dǎo)體性質(zhì)，但該材料家族的其他成員可能具有金屬、磁性以及高室溫電子遷移率等特性，這些潛在性質(zhì)為材料科學(xué)和應(yīng)用技術(shù)開辟了新的前景。

然而，挑戰(zhàn)也隨之而來。例如，如何精確控制這些復(fù)雜的七層結(jié)構(gòu)，以及如何實現(xiàn)預(yù)測的電子性質(zhì)，仍然是當(dāng)前研究的主要難題。為了克服這些挑戰(zhàn)，科學(xué)家們采用了化學(xué)氣相沉積和透射電子顯微鏡等先進技術(shù)，以確定和優(yōu)化材料的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)。

成果簡介

鑒于此，瑞士保羅謝勒研究所T. Latychevskaia教授、?新加坡國立大學(xué)D. A. Bandurin教授聯(lián)合 K. S. Novoselov教授（2010年諾貝爾物理學(xué)獎）合作在“Nature Reviews Physics”期刊上發(fā)表了題為“A new family of septuple-layer 2D materials of MoSi₂N₄-like crystals”的最新論文。文中提到，在未來，預(yù)計將會出現(xiàn)更多新的七層二維材料成員，包括具有破壞對稱性的Janus結(jié)構(gòu)和更復(fù)雜的化學(xué)組成。這些材料不僅有助于理解新的物理現(xiàn)象，還有望在電子器件、催化劑和光電子應(yīng)用等領(lǐng)域展現(xiàn)出新的潛力。因此，MoSi₂N₄的合成開創(chuàng)了一個全新的研究領(lǐng)域，展示了二維材料設(shè)計與合成的潛力和可能性，為未來材料科學(xué)的發(fā)展帶來了重要啟示和方向。

研究亮點

（1）實驗首次報道了合成MoSi₂N₄和WSi₂N₄這兩種七層二維材料。這些材料不同于傳統(tǒng)的二維材料，因為它們沒有天然的層狀晶體對應(yīng)體，并是通過化學(xué)氣相沉積技術(shù)獲得的。

（2）實驗通過透射電子顯微鏡分析確認(rèn)了MoSi₂N₄和WSi₂N₄的七層結(jié)構(gòu)，排列為N-Si-N-Mo-N-Si-N。這種結(jié)構(gòu)使得這些材料具有復(fù)雜的層間相互作用和多種晶體相的可能性。另外，研究還表明，MoSi₂N₄是一種半導(dǎo)體，而WSi₂N₄則可能具有金屬或磁性特性，顯示出室溫電子遷移率極高的特性。這些電子性質(zhì)的預(yù)測使得這些材料在電子器件和光電子應(yīng)用方面具有重要的潛力。

（3）該研究不僅僅限于MoSi₂N₄和WSi₂N₄，而是展示了一整個新材料家族的可能性，可以通過類似的方法合成多種類似結(jié)構(gòu)的材料。這些材料的命名規(guī)則為MA2Z4，其中M代表IVB、VB和VIB族的過渡金屬元素，A代表Si或Ge，Z代表N、P或As。這種材料家族的潛在應(yīng)用包括催化和光電子應(yīng)用，特別是具有破壞外平面反轉(zhuǎn)對稱性的Janus結(jié)構(gòu)材料，如MoSiGeN₄，它們具有內(nèi)置的偶極矩，對于特定的應(yīng)用場景可能尤為有利。

圖文解讀

圖1：MoSi₂N₄晶體家族結(jié)構(gòu)。

圖2. MoSi₂N₄(MoN)4透射電子顯微鏡研究。

圖3. MA2Z4系列的谷對比特性。

圖4：MA2Z4結(jié)構(gòu)的觸點。

圖5：不同的激子和弛豫過程。

圖6: 在MoSi₂N₄–MoS2范德華異質(zhì)結(jié)構(gòu)中，能帶排列和能隙。

圖7: MA₂Z₄材料的光催化性能。

結(jié)論展望

新型七層二維材料展示了通過化學(xué)氣相沉積等現(xiàn)代合成技術(shù)創(chuàng)造出無天然三維對應(yīng)體的二維材料的可能性，突破了傳統(tǒng)對二維材料來源的局限性。其次，七層結(jié)構(gòu)的設(shè)計不僅在化學(xué)成分上具有豐富的變化空間，還允許觀察到多種晶體相轉(zhuǎn)變，為探索新的量子現(xiàn)象和開發(fā)新型范德瓦爾斯異質(zhì)結(jié)構(gòu)提供了理論和實驗基礎(chǔ)。這些材料的多樣性質(zhì)，如金屬、半導(dǎo)體、鐵磁和超導(dǎo)性質(zhì)的預(yù)測，為電子學(xué)、光電子學(xué)甚至神經(jīng)形態(tài)計算等領(lǐng)域的新型應(yīng)用提供了前景。此外，其相對較大的厚度不僅增強了機械穩(wěn)定性，還提供了利用橫向電場調(diào)控電子和光學(xué)性質(zhì)的獨特機會，對于光催化等能源轉(zhuǎn)換技術(shù)具有重要意義。盡管實驗合成新成員尚有挑戰(zhàn)，但這些前沿材料的發(fā)現(xiàn)已經(jīng)為未來材料設(shè)計、合成和應(yīng)用研究開辟了新的道路。

文獻信息

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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