隨著二維材料領域的快速發展和廣泛應用，科學界對于新型二維材料的探索和合成變得愈加重要和迫切。傳統上，二維材料通常是由具有層狀結構的三維晶體通過剝離或特定化學處理得到的，例如石墨烯和過渡金屬硼化物（MXenes）。然而，直到最近，沒有人工合成的二維材料能夠脫離其三維對應體，這在科學界被認為是一個重要的技術和理論挑戰。對于不存在天然層狀晶體的二維材料，由于其獨特的結構和潛在應用，對其研究變得越來越重要。例如，MoSi2N4這樣的七層二維材料，它的結構可以被描述為MoN2晶體層插入Si2N2層中。這種結構不僅展示了復雜的層狀排列，還可能具有破壞鏡面對稱性的性質，如Janus結構，這對于催化和光電應用具有重要意義。然而，這些新型材料的合成及其電子性質的理解，一直是挑戰和研究焦點。傳統的剝離和化學刻蝕方法在這種情況下不適用，因此，研究人員需要開發新的合成方法和理論模型來實現這些材料的控制合成和屬性預測。為了解決這些挑戰，瑞士保羅謝勒研究所T. Latychevskaia，?新加坡國立大學）D. A. Bandurin 和 K. S. Novoselov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”的最新綜述。他們展開了積極的研究，試圖解決如何在沒有天然層狀晶體的情況下合成二維材料的問題。特別地，他們利用化學氣相沉積（CVD）技術和其它創新方法，成功地合成了MoSi2N4和WSi2N4等七層材料。這些成果不僅證明了新材料的可能性，還開啟了一個新的研究領域，即探索并合成沒有三維對應體的二維材料家族。 本研究的關鍵貢獻在于提出了一種新型材料范式，即七層二維材料的概念，并系統地分類和分析了這一材料家族的成員。通過詳細討論其復雜的結構和多樣的物理化學特性，我們揭示了這些材料在電子、光電和催化應用中的潛力。
研究亮點
實驗發現在2020年報道了合成MoSi2N4，這是第一個七層二維材料，其不具備天然層狀晶體結構，而是通過化學氣相沉積方法成功合成。
實驗采用了硅保護單層MoN2的方法，成功制備了MoSi2N4，通過透射電子顯微鏡確認其七層原子層結構為N-Si-N-Mo-N-Si-N。這一復雜的層狀結構開辟了新的材料研究領域，其中MoN2以MoS2結構插層在Si2N2（類似于InSe結構）層之間。除了MoSi2N4外，還成功合成了其衍生物MoSi2N4(MoN)4n，展示了進一步層間插層的可能性。
該材料家族不僅限于MoSi2N4，還包括類似的WSi2N4等成員，預示著未來可能合成更多類似材料。這些材料的電子性質非常吸引人，例如預測到的α2-WSi2Sb4在室溫下具有超過105 cm2 (V s)?1的空穴遷移率，顯示出其在電子器件和應用方面的巨大潛力。
另一個引人注目的特點是這些材料的結構復雜性和多樣性，尤其是具有破壞鏡面反射對稱性的Janus結構，如MoSiGeN4，這些結構具有內置的偶極矩，可能在催化和光電應用中發揮重要作用。
圖文解讀
圖2. MoSi2N4(MoN)4透射電子顯微鏡研究。圖6: 在MoSi2N4–MoS2范德華異質結構中，能帶排列和能隙。
總結展望
新型七層二維材料的發現為材料科學帶來了重要的科學啟迪。首先，這些材料展示了通過化學氣相沉積等新方法合成具有復雜結構和多樣性質的二維材料的可能性，打破了傳統上僅通過剝離或刻蝕獲取層狀材料的范例。其次，七層的單位晶胞結構為探索多種晶體相變和電子性質提供了理想的平臺，這對于研究新型量子現象和設計新的范德瓦爾斯異質結構具有重要意義。此外，這些材料的相對較大厚度也為利用橫向電場調控其性質開辟了新的研究方向，尤其在光催化和自旋電子學等領域具有潛在應用前景。最后，通過機器學習輔助設計和合成這類復雜材料，不僅可以加速材料發現的進程，還可以優化其性能以應對不同的應用需求。總體而言，這些發現為開發新型功能性材料和探索其在未來電子和光學器件中的應用提供了新的科學視角和技術路線。 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
