Kemisk ångavsättningstillväxt av MoSi2N4. (A) Schematisk över två CVD-tillväxtprocesser, visar att skiktad MoSi2N4 bildas genom att helt enkelt tillsätta Si under tillväxten av icke-skiktat 2D Mo2N. (B) Optiska bilder av MoSi2N4 odlad med CVD i 30 minuter, 2 timmar, och 3,5 timmar, illustrerar bildningsprocessen av en monolager MoSi2N4-film (schematiskt visas överst). Proverna överfördes till SiO2/Si-substrat. (C) Fotografi av en CVD-odlad 15 mm × 15 mm MoSi2N4-film överförd till ett SiO2/Si-substrat. (D) En typisk AFM-bild av MoSi2N4-film, visar en tjocklek på ~1,17 nm. (E) Tvärsnittsbild av HAADF-STEM av en tjock MoSi2N4-domän, visar en skiktad struktur med ett mellanskiktsavstånd på ~1,07 nm. Kredit:Science Advances, doi:10.1126/science.abb7023
I en ny rapport publicerad i Vetenskap , Yi-Lun Hong och en grupp forskare inom materialvetenskap, teknik, och avancerad teknik i Kina och Storbritannien undersökte tvådimensionella (2-D) material för att upptäcka nya fenomen och ovanliga egenskaper. Teamet introducerade elementärt kisel under kemisk ångavsättningsbaserad tillväxt av molybdennitrid för att passivera dess yta och utveckla centimeterskala, enskiktsnitridfilmer med kisel såsom MoSi 2 N 4 . De byggde monolagerfilmen med sju atomlager i storleksordningen kväve-kisel-kväve-molybden-kväve-kisel-kväve (N-Si-N-Mo-N-Si-N), och det resulterande materialet visade halvledande beteende och utmärkt stabilitet under omgivande förhållanden. Med hjälp av densitetsfunktionsteori (DFT) beräkningar, forskarna förutspådde att en stor familj av sådana monolagerstrukturerade 2D-material skulle existera med användbara tillämpningar som halvledare, metaller och magnetiska halvmetaller.
Tvådimensionella material
Tvådimensionella material har attraktiva egenskaper som lämpar sig för en mängd olika tekniska tillämpningar. Av dessa, övergångsmetallkarbider och nitrider (TMC och TMN) kan bilda en stor familj av icke-skiktade material för att kombinera egenskaper hos keramer och metaller. MAX-fasen, där M står för en tidig övergångsmetall, A är ett element i A-gruppen såsom aluminium eller kisel och X är kol, kväve eller båda, utgör grunden för monolager MXenes. Sådana monolagerfilmer kan syntetiseras selektivt genom etsning av A-elementskiktet. Dessa material har en hydrofil (vattenälskande) yta och hög elektrisk ledningsförmåga med lovande tillämpningar inklusive energilagring, sensorer och katalys. Forskare har nyligen utvecklat en kemisk ångavsättningsmetod (CVD) för att odla högkvalitativa, icke-skiktade 2-D TMC och TMN kristaller med olika strukturer. Men ytenergibegränsningarna fick de icke-skiktade materialen att växa som öar istället för lager. I det här arbetet, Hong et al. därför växte 2-D molybdennitrid och MoSi 2 N 4 förening med kemisk ångavsättning.
Tjocka MoSi2N4-domäner syntetiserade med en högre matningshastighet av ammoniakgas (NH3). (A) Atomic force microscopy (AFM) bild av en olikformig tjock MoSi2N4-domän, visar steg med enhetlig höjd på ~1,1 nm. (B) Optisk bild av en tjock MoSi2N4-domän odlad på monolageryta. Kredit:Science Advances, doi:10.1126/science.abb7023 
Under experimenten, forskarna använde ett dubbelskikt av koppar/molybden (Cu/Mo) som substrat och ammoniak (NH) 3 ) gas som kvävekälla. När de introducerade elementärt kisel i experimentupplägget, tillväxten av substratet förändrades markant för att bilda en enhetlig polykristallin film. Teamet bestämde tjockleken på materialytan med hjälp av atomkraftsmikroskopi (AFM) och noterade att yttillväxtprocessen var robust. Vanligtvis, tillägget av ett element till ett växande 2D-material kan bara orsaka dopning utan att ändra matrisens kristallstruktur. Men i det här fallet, tillsats av kisel ledde till en ny enskiktad förening istället för att bara dopa substratet. Hong et al. identifierade kristallstrukturen hos det nybildade 2D-materialet med hjälp av avancerad transmissionselektronmikroskopi (TEM) och testade dess ytelement med energidispersiv röntgenspektroskopi (EDS), elektronenergiförlustspektroskopi (EELS) och röntgenfotoelektronspektroskopi (XPS).
DFT-förutsägelser för MA2Z4-familjen. (A till C) Elektronisk bandstruktur för (A) monolager WSi2N4, (B) MoSi2As4, och (C) VSi2N4 beräknat med PBE. I (C), de blå och röda kurvorna motsvarar spin-up- och spin-down-kanalerna i den elektroniska bandstrukturen i den ferromagnetiska ordningskonfigurationen, respektive. Kredit:Science Advances, doi:10.1126/science.abb7023 
Eftersom det var svårt att avbilda de exakta positionerna för kväveatomer med hjälp av transmissionselektronmikroskopi, teamet utförde densitetsfunktionsteori (DFT) beräkningar av föreningen för att avslöja dess strukturformel. Processen bekräftade närvaron av ett van der Waals (vdW) skiktat 2-D-material innehållande MoSi 2 N 4 formel. Använd sedan beräkningar av molekylär dynamik, de observerade att strukturen var dynamiskt och termodynamiskt stabil – medan Raman-spektra indikerade hög kristallkvalitet hos MoSi 2 N 4 strukturera. Använder DFT-beräkningar igen, Hong et al noterade MoSi 2 N 4 monolager för att bibehålla halvledaregenskaper (optiska och elektriska egenskaper) tillsammans med en bärarmobilitet som förlitade sig på materialets elasticitetsmodul.
Strukturella karakteriseringar av MoSi2N4. (A) Planvy högvinkel ringformig mörkfältsskanningstransmissionselektronmikroskopi (HAADF-STEM) bild av monolager MoSi2N4. Infälld är intensitetsprofilen längs den röda streckade linjen, vilket indikerar att de ljusa prickarna är Mo-atomer och de mindre ljusa prickarna är Si-atomer. Bildintensiteten är proportionell mot Z1,7 (där Z är atomnummer). (B) Tvärsnittsbild med hög förstoring HAADF-STEM av flerskikts MoSi2N4, visar en skiktad struktur och Mo- och Si-atomer i varje lager. N-atomerna är markerade enligt den beräknade strukturen. (C till F) Tvärsnittsbild av HAADF-STEM (C) av en flerskikts MoSi2N4, motsvarande högupplösta EDS-mappningar av Mo (D) och Si (E) element, och blandad EDS-kartläggning av Mo- och Si-element (F). (G till I) Tvärsnittsbild av HAADF-STEM (G) av en flerskikts MoSi2N4, tydligt visar Mo-skiktet, och motsvarande högupplösta EELS-mappning av Si (H) och N (I) element. De färgade linjerna i (G) representerar positionerna för olika element (blå, Mo; grön, Si; röd, N). Kredit:Science Advances, doi:10.1126/science.abb7023
Att studera de optiska egenskaperna hos monoskiktet MoSi 2 N 4 filma, Hu et al. överförde den till ett safirsubstrat och mätte dess bandgap, där det halvledande monoskiktet bibehöll en hög optisk transmittans jämförbar med grafen. För att testa materialens elektriska transportegenskaper, Hong et al. tillverkade back-gated fälteffekttransistorenheter för att observera typiskt halvledarbeteende. Forskarna mätte sedan de mekaniska egenskaperna hos enskiktsfilmen med hjälp av nanoindentation för att framhäva membranets elastiska beteende. Det nybildade materialet visade långvarig stabilitet för hantering, lagring, och bearbetning under omgivande förhållanden utan en skyddande miljö i motsats till andra material.
Atomstruktur, bandstruktur, och optisk, elektrisk, och mekaniska egenskaper hos MoSi2N4. (A) Atommodellen av MoSi2N4 med tre lager (vänster) och den detaljerade tvärsektionen (mitten) och i planet (höger) kristallstrukturen av monoskiktet. (B) Elektronisk bandstruktur för monolager MoSi2N4 beräknad med PBE (blå linjer) och HSE (röda linjer), respektive. Gröna pilar indikerar två direkta excitoniska övergångar vid K-punkten, med energiuppdelningen härrörande från VB spin-omloppskoppling. (C) Optiskt absorptionsspektrum för en monolager MoSi2N4-film i det synliga området. Insättningen visar att toppen vid 500 till 600 nm kan passas in i två undertoppar, A (560 nm, 2,21 eV) och B (527 nm, 2,35 eV), motsvarande de två direkta excitoniska övergångarna i (B). (D) Tauc plot av en monolager MoSi2N4 film. Insatsen visar den optiska transmittansen i det synliga området. (E) Överföringsegenskaper för en monolager MoSi2N4 BG-FET i linjär skala (vänster axel, lägre kurvor) och log skala (höger axel, övre kurvor) mätt vid 77 K. Kanallängd, 30 mm. Infälld:3D-schematisk över en MoSi2N4-baserad BG-FET på ett Si-substrat med 290 nm SiO2. (F) En typisk kraftförskjutningskurva för ett enkristall MoSi2N4-monoskikt i AFM-nanoindentation. Den svarta, blå, och röda linjer är lastningen, avlastning, och passande kurvor, respektive. Insättning:AFM-bild av ett upphängt MoSi2N4-monoskikt före indragningstest; höjdprofilen (röd linje) längs den gula streckade linjen visar en fördjupning på ~23 nm i hålet. (G) Jämförelse av Youngs modul och brotthållfasthet för monolager MoSi2N4 med monolager grafen, MoS2, och MXenes rapporterade i litteraturen. Alla hållfasthetsvärden härleddes enligt den linjära elastiska modellen. Den DFT-beräknade modulen och styrkan för monolager MoSi2N4 (öppen stjärna) och modulen och styrka för monolager grafen som vi mätte (öppen kvadrat) ingår också. Kredit:Science Advances, doi:10.1126/science.abb7023
Skapar en bred klass av 2-D van der Waals (vdW) skiktade material
Hong et al. visade hur olika övergångsmetallelement potentiellt skulle kunna ersätta motsvarande element i MoSi 2 N 4 baserat på ytterligare DFT-beräkningar för att skapa en bred klass av 2-D van der Waal-lagermaterial med liknande kristallstruktur. I det här fallet, de representerade materialen med den allmänna formeln MA 2 Z 4 , där M representerade en tidig övergångsmetall, A var kisel eller germanium och Z stod för kväve, fosfor eller arsenik. Den elementära mångfalden i MA 2 Z 4 , tillåtit bred avstämning av deras bandgap och magnetiska egenskaper med tillämpningar inom optoelektronik, elektronik och spintronik. Att använda sådana material, forskarna kommer att kunna undersöka hittills okända spännande egenskaper och tillämpningar som finns inom skiktade material. På det här sättet, den kemiska ångavsättningsmetoden som beskrivs här kommer att bana väg för att syntetisera olika material i 2-D och monolagerformer.
© 2020 Science X Network
