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用硅稳定单层氮化物

信息来源:星火计划 发布时间:【2020-08-15 】 点击次数:
MoSi2N4的化学气相沉积生长。(A)两种CVD生长过程的示意图,显示通过在非层状2D Mo2N的生长过程中简单地添加Si即可形成层状MoSi2N4。(B)通过CVD分别生长30分钟,2小时和3.5小时的MoSi2N4的光学图像,说明了单层MoSi2N4膜的形成过程(示意性显示在顶部)。将样品转移到SiO2 / Si基板上。(C)将CVD生长的15 mm×15 mm MoSi2N4膜转移到SiO2 / Si基板上的照片。(D)MoSi2N4薄膜的典型AFM图像,厚度约为〜1.17 nm。(E)厚MoSi2N4域的截面HAADF-STEM图像,显示层间间距约为1.07 nm的分层结构。图片来源:Science Advances,doi:10.1126 / science.abb7023
 
在《科学》杂志上发表的一份新报告中,洪一伦和中国和英国的一组材料科学,工程学和先进技术研究科学家对二维(2-D)材料进行了研究,以发现新现象和不同寻常的性质。该团队在基于化学气相沉积的氮化钼生长过程中引入了元素硅,以钝化其表面并用诸如MoSi 2 N 4的硅开发厘米级的单层氮化物膜。。他们用氮-硅-氮-钼-氮-硅-氮(N-Si-N-Mo-N-Si-N)的顺序构建了具有七个原子层的单层膜,所得材料显示出半导体行为和在环境条件下具有出色的稳定性。利用密度泛函理论(DFT)的计算,科学家预测了这类单层结构的二维材料的大量存在,并将其用于半导体,金属和磁性半金属。
 
 
二维材料
 
二维材料具有吸引人的特性,适合各种技术应用。其中,过渡金属碳化物和氮化物(TMC和TMN)可以形成大量的非层状材料,以结合陶瓷和金属的特性。MAX相形成了单层MXene的基础,其中M代表早期过渡金属,A是铝或硅等A族元素,X是碳,氮或两者。可以通过蚀刻A元素层来选择性地合成这种单层膜。这些材料具有亲水性(亲水性)表面和高电导率,具有广阔的应用前景,包括储能,传感器和催化作用。科学家最近开发了一种化学气相沉积(CVD)方法,以生长具有不同结构的高质量,无层二维TMC和TMN晶体。但是表面能的限制导致非层状材料以岛状而不是层状生长。在这项工作中,洪等人。因此,使用化学气相沉积法生长了2-D氮化钼和MoSi 2 N 4化合物。
合成的MoSi2N4厚畴以较高的氨气(NH3)进料速率合成。(A)不均匀的厚MoSi2N4域的原子力显微镜(AFM)图像,显示均匀高度约为1.1 nm的台阶。(B)在单层表面上生长的厚MoSi2N4域的光学图像。图片来源:Science Advances,doi:10.1126 / science.abb7023

开发和表征新形成的二维材料
在实验过程中,科学家使用铜/钼(Cu / Mo)双层作为底物,并使用氨(NH 3)气体作为氮源。当他们将元素硅引入实验装置时,衬底的生长明显改变,形成了均匀的多晶膜。该团队使用原子力显微镜(AFM)确定了材料表面的厚度,并指出表面生长过程是可靠的。通常,向生长的二维材料中添加元素只会导致掺杂而不改变基质的晶体结构。但是在这种情况下,添加硅导致了新的单层化合物,而不是简单地掺杂衬底。Hong等。使用先进的透射电子显微镜(TEM)鉴定了新形成的2-D材料的晶体结构,并使用能量色散X射线能谱(EDS),电子能量损失能谱(EELS)和X射线光电子能谱测试了其表面元素(XPS)。
 
 
MA2Z4系列的DFT预测。(A至C)用PBE计算的(A)单层WSi2N4,(B)MoSi2As4和(C)VSi2N4的电子能带结构。在(C)中,蓝色和红色曲线分别对应于铁磁有序配置的电子带结构的向上旋转和向下旋转通道。图片来源:Science Advances,doi:10.1126 / science.abb7023

确认MoSi 2 N 4配方并突出显示材料特性。
由于使用透射电子显微镜难以对氮原子的精确位置成像,因此该团队对化合物进行了密度泛函理论(DFT)计算,以揭示其结构式。该方法证实了含有MoSi 2 N 4分子式的范德华(vdW)层状二维材料的存在。然后,使用分子动力学计算,他们观察到该结构是动态和热力学稳定的,而拉曼光谱 表明MoSi 2 N 4结构的晶体质量很高。再次使用DFT计算,Hong等人注意到MoSi 2 N 4保持半导体特性(光学和电特性)的单层膜,以及依赖于材料弹性模量的载流子迁移率。
MoSi2N4的结构表征。(A)单层MoSi2N4的平面图高角度环形暗场扫描透射电子显微镜(HAADF-STEM)图像。插图是沿着红色点划线的强度曲线,指示亮点是Mo原子,次亮点是Si原子。图像强度与Z1.7成比例(其中Z是原子序数)。(B)多层MoSi2N4的高倍放大截面HAADF-STEM图像,显示了层状结构以及每一层中的Mo和Si原子。根据计算的结构标记N个原子。(C到F)多层MoSi2N4的截面HAADF-STEM图像(C),Mo(D)和Si(E)元素的相应高分辨率EDS映射以及Mo和Si元素的混合EDS映射(F )。(G到I)多层MoSi2N4的横截面HAADF-STEM图像(G),清楚显示了Mo层,以及对应的Si(H)和N(I)元素的高分辨率EELS映射。(G)中的彩色线表示不同元素(蓝色,Mo;绿色,Si;红色,N)的位置。图片来源:Science Advances,doi:10.1126 / science.abb7023

为了研究单层MoSi 2 N 4薄膜的光学特性,Hu等人。将其转移到蓝宝石衬底上并测量其带隙,在那里,半导体单层保持了与石墨烯相当的高透光率。为了测试材料的电传输性能,Hong等人。制造了背栅场效应晶体管器件,以观察典型的半导体行为。然后,科学家使用纳米压痕技术测量了单层薄膜的机械性能。突出膜的弹性行为。新形成的材料显示用于处理,存储,和在环境条件下处理长期稳定性没有保护环境不同于其它材料。

MoSi2N4的原子结构,能带结构以及光学,电气和机械性能。(A)MoSi2N4具有三层(左)以及单层的详细横截面(中心)和面内(右)晶体结构的原子模型。(B)分别用PBE(蓝线)和HSE(红线)计算的单层MoSi2N4的电子能带结构。绿色箭头指示在K点发生两个直接的激子跃迁,能量分裂源自VB自旋轨道耦合。(C)单层MoSi2N4薄膜在可见光范围内的光吸收光谱。插图显示,可以将500至600 nm处的峰拟合为两个亚峰A(560 nm,2.21 eV)和B(527 nm,2.35 eV),分别对应于(B)中的两个直接激子跃迁。(D)单层MoSi2N4膜的Tauc图。插图显示了可见范围内的透光率。(E)在77 K下测得的单层MoSi2N4 BG-FET在线性刻度(左轴,下部曲线)和对数刻度(右轴,上部曲线)上的传输特性。沟道长度为30 mm。插图:具有290 nm SiO2的Si衬底上基于MoSi2N4的BG-FET的3D示意图。(F)在AFM纳米压痕中单晶MoSi2N4单层的典型力-位移曲线。黑色,蓝色和红色线分别是加载,卸载和拟合曲线。插图:压痕测试前悬浮的MoSi2N4单层的AFM图像;沿黄色虚线的高度轮廓(红线)显示孔中的〜23 nm压痕。(G)比较文献中报道的单层MoSi2N4与单层石墨烯,MoS2和MXenes的杨氏模量和断裂强度。所有强度值均根据线性弹性模型得出。还包括DFT计算的单层MoSi2N4(空心星)的模量和强度以及我们测量的单层石墨烯的模量和强度(空心正方形)。图片来源:Science Advances,doi:10.1126 / science.abb7023
创建广泛的2-D范德华(vdW)分层材料
 
Hong等。通过额外的DFT计算,研究人员发现各种过渡金属元素如何潜在地替代MoSi 2 N 4中的相应元素,从而创建具有相似晶体结构的广泛类别的2-D范德华层状材料。在这种情况下,它们代表通式为MA 2 Z 4的材料,其中M代表早期过渡金属,A是硅或锗,Z代表氮,磷或砷。MA 2 Z 4中的元素多样性通过在光电子,电子和自旋电子学中的应用,允许其带隙和磁性能的广泛可调性。使用这种材料,科学家将能够研究层状材料中存在的迄今未知的令人兴奋的特性和应用。这样,此处描述的化学气相沉积方法将为合成二维和单层形式的多种材料铺平道路。

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