Crescita della deposizione chimica da vapore di MoSi2N4. (A) Schema di due processi di crescita CVD, che mostra che MoSi2N4 stratificato si forma semplicemente aggiungendo Si durante la crescita di Mo2N 2D non stratificato. (B) Immagini ottiche di MoSi2N4 coltivate da CVD per 30 min, 2 ore, e 3,5 ore, che illustra il processo di formazione di un film MoSi2N4 monostrato (schema mostrato in alto). I campioni sono stati trasferiti su substrati SiO2/Si. (C) Fotografia di un film MoSi2N4 15 mm × 15 mm coltivato in CVD trasferito su un substrato SiO2/Si. (D) Una tipica immagine AFM del film MoSi2N4, mostrando uno spessore di ~ 1,17 nm. (E) Immagine HAADF-STEM in sezione trasversale di un dominio MoSi2N4 spesso, che mostra una struttura a strati con una spaziatura tra gli strati di ~ 1,07 nm. Credito:progressi scientifici, doi:10.1126/science.abb7023
In un nuovo rapporto pubblicato su Scienza , Yi-Lun Hong e un gruppo di ricercatori nella scienza dei materiali, ingegneria, e la tecnologia avanzata in Cina e nel Regno Unito ha studiato materiali bidimensionali (2-D) per scoprire nuovi fenomeni e proprietà insolite. Il team ha introdotto il silicio elementare durante la crescita basata sulla deposizione chimica da vapore del nitruro di molibdeno per passivarne la superficie e sviluppare una scala centimetrica, film di nitruro monostrato con silicio come MoSi 2 n 4 . Hanno costruito il film monostrato con sette strati atomici nell'ordine azoto-silicio-azoto-molibdeno-azoto-silicio-azoto (N-Si-N-Mo-N-Si-N), e il materiale risultante ha mostrato un comportamento semiconduttore e un'eccellente stabilità in condizioni ambientali. Utilizzando i calcoli della teoria del funzionale della densità (DFT), gli scienziati hanno previsto l'esistenza di una grande famiglia di tali materiali 2-D strutturati monostrato con applicazioni utili come semiconduttori, metalli e semimetalli magnetici.
Materiali bidimensionali
I materiali bidimensionali hanno proprietà attraenti adatte a una varietà di applicazioni tecniche. Di questi, carburi e nitruri di metalli di transizione (TMC e TMN) possono formare una vasta famiglia di materiali non stratificati per combinare le proprietà della ceramica e dei metalli. La fase MAX, dove M sta per un metallo di transizione precoce, A è un elemento del gruppo A come alluminio o silicio e X è carbonio, azoto o entrambi, costituisce la base per MXenes monostrato. Tali film monostrato possono essere sintetizzati selettivamente attaccando lo strato dell'elemento A. Questi materiali hanno una superficie idrofila (amante dell'acqua) e un'elevata conduttività elettrica con applicazioni promettenti tra cui l'accumulo di energia, sensori e catalisi. Gli scienziati hanno recentemente sviluppato un metodo di deposizione chimica da vapore (CVD) per coltivare prodotti di alta qualità, cristalli 2-D TMC e TMN non stratificati con strutture diverse. Ma i vincoli di energia superficiale hanno fatto sì che i materiali non stratificati crescessero come isole anziché come strati. In questo lavoro, Hong et al. quindi cresciuto nitruro di molibdeno 2-D e il MoSi 2 n 4 composto mediante deposizione chimica da vapore.
Domini MoSi2N4 spessi sintetizzati con una maggiore velocità di alimentazione del gas ammoniaca (NH3). (A) Immagine di microscopia a forza atomica (AFM) di un dominio MoSi2N4 spesso non uniforme, che mostra passaggi con altezza uniforme di ~ 1,1 nm. (B) Immagine ottica di un dominio MoSi2N4 spesso cresciuto su una superficie monostrato. Credito:progressi scientifici, doi:10.1126/science.abb7023 
Durante gli esperimenti, gli scienziati hanno utilizzato un doppio strato di rame/molibdeno (Cu/Mo) come substrato e ammoniaca (NH 3 ) gas come fonte di azoto. Quando hanno introdotto il silicio elementare nel setup sperimentale, la crescita del substrato cambia notevolmente per formare un film policristallino uniforme. Il team ha determinato lo spessore della superficie del materiale utilizzando la microscopia a forza atomica (AFM) e ha notato che il processo di crescita della superficie è robusto. Tipicamente, l'aggiunta di un elemento a un materiale 2-D in crescita può solo causare drogaggio senza modificare la struttura cristallina della matrice. Ma in questo caso, l'aggiunta di silicio ha portato a un nuovo composto monostrato invece di drogare semplicemente il substrato. Hong et al. identificato la struttura cristallina del materiale 2-D di nuova formazione utilizzando la microscopia elettronica a trasmissione avanzata (TEM) e testato i suoi elementi di superficie utilizzando la spettroscopia a raggi X a dispersione di energia (EDS), spettroscopia elettronica a perdita di energia (EELS) e spettroscopia fotoelettronica a raggi X (XPS).
Previsioni DFT della famiglia MA2Z4. (da A a C) Struttura a banda elettronica di (A) monostrato WSi2N4, (B) MoSi2As4, e (C) VSi2N4 calcolato con PBE. In (C), le curve blu e rossa corrispondono ai canali di spin-up e spin-down della struttura a bande elettronica della configurazione di ordinamento ferromagnetico, rispettivamente. Credito:progressi scientifici, doi:10.1126/science.abb7023 
Poiché era difficile visualizzare le posizioni esatte degli atomi di azoto utilizzando la microscopia elettronica a trasmissione, il team ha eseguito calcoli della teoria del funzionale della densità (DFT) del composto per rivelare la sua formula strutturale. Il processo ha confermato la presenza di un materiale 2-D stratificato van der Waals (vdW) contenente il MoSi 2 n 4 formula. Quindi utilizzando calcoli di dinamica molecolare, hanno osservato che la struttura era dinamica e termodinamicamente stabile, mentre gli spettri Raman indicavano un'elevata qualità dei cristalli del MoSi 2 n 4 struttura. Utilizzando nuovamente i calcoli DFT, Hong et al hanno notato il MoSi 2 n 4 monostrato per mantenere le proprietà dei semiconduttori (proprietà ottiche ed elettriche) insieme a una mobilità del vettore che si basava sul modulo elastico del materiale.
Caratterizzazioni strutturali di MoSi2N4. (A) Immagine di microscopia elettronica a trasmissione a scansione di campo oscuro anulare ad alto angolo con vista in pianta (HAADF-STEM) del monostrato MoSi2N4. L'inserto è il profilo di intensità lungo la linea tratteggiata-punto rosso, indicando che i punti luminosi sono atomi di Mo e i punti meno luminosi sono atomi di Si. L'intensità dell'immagine è proporzionale a Z1.7 (dove Z è il numero atomico). (B) Immagine HAADF-STEM ad alto ingrandimento della sezione trasversale di MoSi2N4 multistrato, che mostra una struttura a strati e atomi di Mo e Si in ogni strato. Gli N atomi sono marcati secondo la struttura calcolata. (da C a F) Immagine HAADF-STEM in sezione trasversale (C) di un MoSi2N4 multistrato, le corrispondenti mappature EDS ad alta risoluzione degli elementi Mo (D) e Si (E), e mappatura EDS mista di elementi Mo e Si (F). (G a I) Immagine HAADF-STEM in sezione trasversale (G) di un MoSi2N4 multistrato, mostrando chiaramente lo strato Mo, e la corrispondente mappatura EELS ad alta risoluzione degli elementi Si (H) e N (I). Le linee colorate in (G) rappresentano le posizioni dei diversi elementi (blu, lun; verde, Sì; rosso, N). Credito:progressi scientifici, doi:10.1126/science.abb7023
Per studiare le proprietà ottiche del monostrato MoSi 2 n 4 film, Hu et al. lo trasferì su un substrato di zaffiro e ne misurò il bandgap, dove il monostrato semiconduttore ha mantenuto un'elevata trasmittanza ottica paragonabile al grafene. Per testare le proprietà di trasporto elettrico dei materiali, Hong et al. dispositivi transistor ad effetto di campo back-gated fabbricati per osservare il comportamento tipico dei semiconduttori. Gli scienziati hanno quindi misurato le proprietà meccaniche del film monostrato utilizzando la nanoindentazione per evidenziare il comportamento elastico della membrana. Il materiale appena formato ha mostrato stabilità a lungo termine per la manipolazione, Conservazione, e lavorazione in condizioni ambientali senza un ambiente protettivo rispetto ad altri materiali.
Struttura atomica, struttura a bande, e ottico, elettrico, e proprietà meccaniche di MoSi2N4. (A) Il modello atomico di MoSi2N4 con tre strati (a sinistra) e la struttura cristallina dettagliata in sezione trasversale (al centro) e nel piano (a destra) del monostrato. (B) Struttura elettronica a bande del monostrato MoSi2N4 calcolata con PBE (linee blu) e HSE (linee rosse), rispettivamente. Le frecce verdi indicano due transizioni eccitoniche dirette nel punto K, con la scissione dell'energia originata dall'accoppiamento spin-orbita VB. (C) Spettro di assorbimento ottico di un film MoSi2N4 monostrato nell'intervallo visibile. L'inserto mostra che il picco da 500 a 600 nm può essere inserito in due sottopicchi, A (560 nm, 2,21 eV) e B (527 nm, 2,35 eV), corrispondente alle due transizioni eccitoniche dirette in (B). (D) Trama Tauc di un film MoSi2N4 monostrato. L'inserto mostra la trasmittanza ottica nel campo del visibile. (E) Caratteristiche di trasferimento di un monostrato MoSi2N4 BG-FET in scala lineare (asse sinistro, curve inferiori) e scala logaritmica (asse destro, curve superiori) misurata a 77 K. Lunghezza del canale, 30mm. Riquadro:Schema 3D di un BG-FET basato su MoSi2N4 su un substrato di Si con SiO2 a 290 nm. (F) Una tipica curva forza-spostamento di un monostrato MoSi2N4 a cristallo singolo nella nanoindentazione AFM. Il nero, blu, e le linee rosse sono il caricamento, scarico, e curve adatte, rispettivamente. Riquadro:immagine AFM di un monostrato MoSi2N4 sospeso prima del test di indentazione; il profilo dell'altezza (linea rossa) lungo la linea tratteggiata gialla mostra una rientranza di ~23 nm nel foro. (G) Confronto del modulo di Young e della resistenza alla rottura del monostrato MoSi2N4 con quelli del grafene monostrato, MoS2, e MXenes riportati in letteratura. Tutti i valori di resistenza sono stati ricavati secondo il modello elastico lineare. Sono inclusi anche il modulo e la forza calcolati DFT del monostrato MoSi2N4 (stella aperta) e il modulo e la forza del grafene monostrato che abbiamo misurato (quadrato aperto). Credito:progressi scientifici, doi:10.1126/science.abb7023
Creazione di un'ampia classe di materiali stratificati 2-D van der Waals (vdW)
Hong et al. ha mostrato come diversi elementi di metalli di transizione potrebbero potenzialmente sostituire gli elementi corrispondenti in MoSi 2 n 4 basato su calcoli DFT aggiuntivi per creare un'ampia classe di materiali stratificati van der Waal 2-D con struttura cristallina simile. In questo caso, rappresentavano i materiali con la formula generale di MA 2 Z 4 , dove M rappresentava un primo metallo di transizione, A era silicio o germanio e Z stava per azoto, fosforo o arsenico. La diversità elementare in MA 2 Z 4 , consentito un'ampia sintonizzabilità del loro bandgap e proprietà magnetiche con applicazioni in optoelettronica, elettronica e spintronica. Utilizzando tali materiali, gli scienziati saranno in grado di studiare proprietà e applicazioni interessanti finora sconosciute che esistono all'interno dei materiali stratificati. In questo modo, il metodo di deposizione chimica da vapore qui descritto aprirà la strada alla sintesi di diversi materiali in forme 2-D e monostrato.
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