Crecimiento de deposición de vapor químico de MoSi2N4. (A) Esquema de dos procesos de crecimiento de ECV, mostrando que el MoSi2N4 estratificado se forma simplemente añadiendo Si durante el crecimiento del Mo2N 2D no estratificado. (B) Imágenes ópticas de MoSi2N4 cultivadas por CVD durante 30 min, 2 horas, y 3,5 horas, que ilustra el proceso de formación de una película de MoSi2N4 monocapa (el esquema se muestra en la parte superior). Las muestras se transfirieron a sustratos de SiO2 / Si. (C) Fotografía de una película de MoSi2N4 de 15 mm x 15 mm cultivada con CVD transferida a un sustrato de SiO2 / Si. (D) Una imagen AFM típica de película MoSi2N4, mostrando un espesor de ~ 1,17 nm. (E) Imagen HAADF-STEM de corte transversal de un dominio MoSi2N4 grueso, mostrando una estructura en capas con un espaciado entre capas de ~ 1.07 nm. Crédito:Science Advances, doi:10.1126 / science.abb7023
En un nuevo informe publicado en Ciencias , Yi-Lun Hong y un grupo de científicos investigadores en ciencia de materiales, Ingenieria, y tecnología avanzada en China y el Reino Unido investigó materiales bidimensionales (2-D) para descubrir nuevos fenómenos y propiedades inusuales. El equipo introdujo silicio elemental durante el crecimiento de nitruro de molibdeno basado en la deposición de vapor químico para pasivar su superficie y desarrollar una escala centimétrica, películas de nitruro monocapa con silicio como MoSi 2 norte 4 . Construyeron la película monocapa con siete capas atómicas en el orden de nitrógeno-silicio-nitrógeno-molibdeno-nitrógeno-silicio-nitrógeno (N-Si-N-Mo-N-Si-N), y el material resultante mostró un comportamiento semiconductor y una excelente estabilidad en condiciones ambientales. Usando cálculos de la teoría funcional de la densidad (DFT), los científicos predijeron que existirá una gran familia de materiales bidimensionales estructurados en monocapa con aplicaciones útiles como semiconductores, metales y semimetales magnéticos.
Materiales bidimensionales
Los materiales bidimensionales tienen propiedades atractivas que se adaptan a una variedad de aplicaciones técnicas. De estos, Los carburos y nitruros de metales de transición (TMC y TMN) pueden formar una gran familia de materiales sin capas para combinar las propiedades de la cerámica y los metales. La fase MAX, donde M representa un metal de transición temprano, A es un elemento del grupo A como aluminio o silicio y X es carbono, nitrógeno o ambos, forma la base de los MXenes monocapa. Dichas películas de monocapa se pueden sintetizar selectivamente grabando la capa del elemento A. Estos materiales tienen una superficie hidrófila (amante del agua) y una alta conductividad eléctrica con aplicaciones prometedoras que incluyen almacenamiento de energía, sensores y catálisis. Los científicos han desarrollado recientemente un método de deposición química de vapor (CVD) para cultivar Cristales de TMC y TMN 2-D no estratificados con diversas estructuras. Pero las limitaciones de energía de la superficie hicieron que los materiales sin capas crecieran como islas en lugar de capas. En este trabajo, Hong y col. por lo tanto creció nitruro de molibdeno 2-D y el MoSi 2 norte 4 compuesto mediante deposición química de vapor.
Dominios gruesos de MoSi2N4 sintetizados con una mayor tasa de alimentación de gas amoniaco (NH3). (A) Imagen de microscopía de fuerza atómica (AFM) de un dominio MoSi2N4 grueso no uniforme, mostrando escalones con altura uniforme de ~ 1.1 nm. (B) Imagen óptica de un dominio MoSi2N4 grueso crecido en la superficie de una monocapa. Crédito:Science Advances, doi:10.1126 / science.abb7023 
Durante los experimentos, los científicos utilizaron una bicapa de cobre / molibdeno (Cu / Mo) como sustrato y amoníaco (NH 3 ) gas como fuente de nitrógeno. Cuando introdujeron el silicio elemental en la configuración experimental, el crecimiento del sustrato cambió notablemente para formar una película policristalina uniforme. El equipo determinó el grosor de la superficie del material mediante microscopía de fuerza atómica (AFM) y observó que el proceso de crecimiento de la superficie es robusto. Típicamente, la adición de un elemento a un material bidimensional en crecimiento solo puede causar dopaje sin cambiar la estructura cristalina de la matriz. Pero en este caso, la adición de silicio condujo a un nuevo compuesto monocapa en lugar de simplemente dopar el sustrato. Hong y col. identificó la estructura cristalina del material 2-D recién formado utilizando microscopía electrónica de transmisión avanzada (TEM) y probó sus elementos de superficie usando espectroscopía de rayos X de dispersión de energía (EDS), espectroscopía electrónica de pérdida de energía (EELS) y espectroscopía fotoelectrónica de rayos X (XPS).
Predicciones DFT de la familia MA2Z4. (A a C) Estructura de banda electrónica de (A) monocapa WSi2N4, (B) MoSi2As4, y (C) VSi2N4 calculado con PBE. C ª), las curvas azul y roja corresponden a los canales de giro hacia arriba y hacia abajo de la estructura de banda electrónica de la configuración de ordenamiento ferromagnético, respectivamente. Crédito:Science Advances, doi:10.1126 / science.abb7023 
Dado que era difícil obtener imágenes de las posiciones exactas de los átomos de nitrógeno utilizando microscopía electrónica de transmisión, el equipo realizó cálculos de la teoría funcional de la densidad (DFT) del compuesto para revelar su fórmula estructural. El proceso confirmó la presencia de un material bidimensional en capas de van der Waals (vdW) que contiene el MoSi 2 norte 4 fórmula. Luego, usando cálculos de dinámica molecular, observaron que la estructura era dinámica y termodinámicamente estable, mientras que los espectros Raman indicaban una alta calidad cristalina del MoSi 2 norte 4 estructura. Usando los cálculos DFT nuevamente, Hong et al señalaron el MoSi 2 norte 4 monocapa para mantener las propiedades de los semiconductores (propiedades ópticas y eléctricas) junto con una movilidad del portador que dependía del módulo elástico del material.
Caracterizaciones estructurales de MoSi2N4. (A) Imagen de microscopía electrónica de transmisión de barrido de campo oscuro anular de alto ángulo de vista en planta (HAADF-STEM) de la monocapa MoSi2N4. El recuadro es el perfil de intensidad a lo largo de la línea de puntos y guiones rojos, lo que indica que los puntos brillantes son átomos de Mo y los puntos menos brillantes son átomos de Si. La intensidad de la imagen es proporcional a Z1.7 (donde Z es el número atómico). (B) Imagen HAADF-STEM de gran aumento en sección transversal de MoSi2N4 multicapa, mostrando una estructura en capas y átomos de Mo y Si en cada capa. Los átomos de N están marcados según la estructura calculada. (C a F) Imagen HAADF-STEM de sección transversal (C) de un MoSi2N4 multicapa, las correspondientes asignaciones EDS de alta resolución de los elementos Mo (D) y Si (E), y mapeo EDS mixto de elementos de Mo y Si (F). (G a I) Imagen HAADF-STEM de sección transversal (G) de un MoSi2N4 multicapa, mostrando claramente la capa de Mo, y el correspondiente mapeo EELS de alta resolución de elementos Si (H) y N (I). Las líneas de color en (G) representan las posiciones de diferentes elementos (azul, Mes; verde, Si; rojo, NORTE). Crédito:Science Advances, doi:10.1126 / science.abb7023
Estudiar las propiedades ópticas de la monocapa MoSi 2 norte 4 película, Hu y col. lo transfirió a un sustrato de zafiro y midió su banda prohibida, donde la monocapa semiconductora mantuvo una alta transmitancia óptica comparable al grafeno. Para probar las propiedades de transporte eléctrico de los materiales, Hong y col. Dispositivos de transistor de efecto de campo con puerta trasera fabricados para observar el comportamiento típico de los semiconductores. Luego, los científicos midieron las propiedades mecánicas de la película monocapa usando nanoindentación para resaltar el comportamiento elástico de la membrana. El material recién formado mostró estabilidad a largo plazo para la manipulación, almacenamiento, y procesamiento en condiciones ambientales sin un entorno protector en contraste con otros materiales.
Estructura atomica, estructura de la banda, y óptico, eléctrico, y propiedades mecánicas de MoSi2N4. (A) El modelo atómico de MoSi2N4 con tres capas (izquierda) y la estructura cristalina detallada en sección transversal (centro) y en el plano (derecha) de la monocapa. (B) Estructura de banda electrónica de la monocapa MoSi2N4 calculada con PBE (líneas azules) y HSE (líneas rojas), respectivamente. Las flechas verdes indican dos transiciones excitónicas directas en el punto K, con la división de energía que se origina en el acoplamiento órbita-espín VB. (C) Espectro de absorción óptica de una película monocapa de MoSi2N4 en el rango visible. El recuadro muestra que el pico de 500 a 600 nm se puede ajustar en dos subpicos, A (560 nm, 2,21 eV) y B (527 nm, 2,35 eV), correspondiente a las dos transiciones excitónicas directas en (B). (D) Gráfico de Tauc de una película de MoSi2N4 monocapa. El recuadro muestra la transmitancia óptica en el rango visible. (E) Características de transferencia de una monocapa MoSi2N4 BG-FET en escala lineal (eje izquierdo, curvas inferiores) y escala logarítmica (eje derecho, curvas superiores) medido a 77 K.Longitud del canal, 30 mm. Recuadro:esquema 3D de un BG-FET basado en MoSi2N4 sobre un sustrato de Si con SiO2 de 290 nm. (F) Una curva de fuerza-desplazamiento típica de una monocapa monocristalina de MoSi2N4 en nanoindentación de AFM. El negro, azul, y las líneas rojas son la carga, descarga, y curvas ajustadas, respectivamente. Recuadro:imagen AFM de una monocapa de MoSi2N4 suspendida antes de la prueba de indentación; el perfil de altura (línea roja) a lo largo de la línea discontinua amarilla muestra una muesca de ~ 23 nm en el agujero. (G) Comparación del módulo de Young y la resistencia a la rotura de la monocapa MoSi2N4 con los del grafeno monocapa, MoS2, y MXenes reportados en la literatura. Todos los valores de resistencia se obtuvieron de acuerdo con el modelo elástico lineal. También se incluyen el módulo y la resistencia calculados por DFT de la monocapa MoSi2N4 (estrella abierta) y el módulo y la resistencia del grafeno monocapa que medimos (cuadrado abierto). Crédito:Science Advances, doi:10.1126 / science.abb7023
Creación de una amplia clase de materiales en capas de 2-D van der Waals (vdW)
Hong y col. mostró cómo diversos elementos de metales de transición podrían potencialmente reemplazar los elementos correspondientes en MoSi 2 norte 4 basado en cálculos adicionales de DFT para crear una amplia clase de materiales estratificados 2-D van der Waal con estructura cristalina similar. En este caso, representaron los materiales con la fórmula general de MA 2 Z 4 , donde M representaba un metal de transición temprano, A era silicio o germanio y Z representaba nitrógeno, fósforo o arsénico. La diversidad elemental en MA 2 Z 4 , Permitieron una amplia sintonización de sus propiedades magnéticas y de banda prohibida con aplicaciones en optoelectrónica, electrónica y espintrónica. Usando tales materiales, Los científicos podrán investigar propiedades y aplicaciones interesantes hasta ahora desconocidas que existen dentro de los materiales estratificados. De este modo, El método de deposición química en fase de vapor que se describe aquí allanará el camino para sintetizar diversos materiales en formas 2-D y monocapa.
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