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工程学和先进技术研究科学家对二维材料进行了

发布人: 皇家娱乐游戏平台网页 来源: 皇家娱乐游戏平台网页登录 发布时间: 2020-08-19 10:07

  在《科学》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。

  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)。

  由于使用透射电子显微镜难以对氮原子的精确成像,因此该团队对化合物进行了密度泛函理论(DFT)计算,以其结构式。该方法了含有MoSi 2 N 4式的范德华(vdW)层状二维材料的存在。然后,使用动力学计算,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。

  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,和在条件下处理长期稳定性没有不同于其它材料。

  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。

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