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研究背景

二維材料領域長期以來認為，所有單原子厚度的材料必須源自于具有層狀結構的三維晶體。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，沒有出現沒有三維對應體的二維材料的例子。2020年，科學家們通過在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。這一發現打破了傳統認知，成為新的研究熱點。

MoSi₂N₄的合成不僅令人振奮，還引發了對其電子性質和結構特征的廣泛研究興趣。盡管初步合成的MoSi₂N₄顯示出半導體性質，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，這些潛在性質為材料科學和應用技術開辟了新的前景。

然而，挑戰也隨之而來。例如，如何精確控制這些復雜的七層結構，以及如何實現預測的電子性質，仍然是當前研究的主要難題。為了克服這些挑戰，科學家們采用了化學氣相沉積和透射電子顯微鏡等先進技術，以確定和優化材料的結構和性質。

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D. A. Bandurin教授聯合 K. S. Novoselov教授（2010年諾貝爾物理學獎）合作在“Nature Reviews Physics”期刊上發表了題為“A new family of septuple-layer 2D materials of MoSi₂N₄-like crystals”的最新論文。文中提到，在未來，預計將會出現更多新的七層二維材料成員，包括具有破壞對稱性的Janus結構和更復雜的化學組成。這些材料不僅有助于理解新的物理現象，還有望在電子器件、催化劑和光電子應用等領域展現出新的潛力。因此，MoSi₂N₄的合成開創了一個全新的研究領域，展示了二維材料設計與合成的潛力和可能性，為未來材料科學的發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的二維材料，因為它們沒有天然的層狀晶體對應體，并是通過化學氣相沉積技術獲得的。

（2）實驗通過透射電子顯微鏡分析確認了MoSi₂N₄和WSi₂N₄的七層結構，排列為N-Si-N-Mo-N-Si-N。這種結構使得這些材料具有復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。這些電子性質的預測使得這些材料在電子器件和光電子應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構的材料。這些材料的命名規則為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用包括催化和光電子應用，特別是具有破壞外平面反轉對稱性的Janus結構材料，如MoSiGeN₄，它們具有內置的偶極矩，對于特定的應用場景可能尤為有利。

圖文解讀

圖1：MoSi₂N₄晶體家族結構。

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結構的觸點。

圖5：不同的激子和弛豫過程。

圖6: 在MoSi₂N₄–MoS2范德華異質結構中，能帶排列和能隙。

圖7: MA₂Z₄材料的光催化性能。

結論展望

新型七層二維材料展示了通過化學氣相沉積等現代合成技術創造出無天然三維對應體的二維材料的可能性，突破了傳統對二維材料來源的局限性。其次，七層結構的設計不僅在化學成分上具有豐富的變化空間，還允許觀察到多種晶體相轉變，為探索新的量子現象和開發新型范德瓦爾斯異質結構提供了理論和實驗基礎。這些材料的多樣性質，如金屬、半導體、鐵磁和超導性質的預測，為電子學、光電子學甚至神經形態計算等領域的新型應用提供了前景。此外，其相對較大的厚度不僅增強了機械穩定性，還提供了利用橫向電場調控電子和光學性質的獨特機會，對于光催化等能源轉換技術具有重要意義。盡管實驗合成新成員尚有挑戰，但這些前沿材料的發現已經為未來材料設計、合成和應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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