Stabiliserende monolagsnitrider med silicium

I en ny rapport offentliggjort i Videnskab , Yi-Lun Hong og en gruppe forskere inden for materialevidenskab, ingeniørarbejde, og avanceret teknologi i Kina og Storbritannien undersøgte todimensionelle (2-D) materialer for at opdage nye fænomener og usædvanlige egenskaber. Holdet introducerede elementært silicium under kemisk dampaflejring-baseret vækst af molybdænnitrid for at passivere dets overflade og udvikle centimeter-skala, monolags nitridfilm med silicium såsom MoSi ₂ N ₄ . De byggede monolagfilmen med syv atomlag i rækkefølgen nitrogen-silicium-nitrogen-molybdæn-nitrogen-silicium-nitrogen (N-Si-N-Mo-N-Si-N), og det resulterende materiale udviste halvledende adfærd og fremragende stabilitet under omgivende betingelser. Ved hjælp af tæthedsfunktionsteori (DFT) beregninger, forskerne forudsagde, at en stor familie af sådanne monolagstrukturerede 2D-materialer ville eksistere med nyttige anvendelser som halvledere, metaller og magnetiske halvmetaller.

Todimensionelle materialer

Todimensionelle materialer har attraktive egenskaber, der er velegnede til en række tekniske anvendelser. Af disse, overgangsmetalkarbider og -nitrider (TMC'er og TMN'er) kan danne en stor familie af ikke-lagsmaterialer til at kombinere egenskaber af keramik og metaller. MAX-fasen, hvor M står for et tidligt overgangsmetal, A er et A-gruppeelement såsom aluminium eller silicium, og X er kulstof, nitrogen eller begge dele, danner grundlag for monolag MXenes. Sådanne monolagsfilm kan syntetiseres selektivt ved ætsning af A-elementlaget. Disse materialer har en hydrofil (vandelskende) overflade og høj elektrisk ledningsevne med lovende anvendelser, herunder energilagring, sensorer og katalyse. Forskere har for nylig udviklet en kemisk dampaflejringsmetode (CVD) til at dyrke høj kvalitet, ikke-lags 2-D TMC og TMN krystaller med forskellige strukturer. Men overfladeenergibegrænsningerne fik de ikke-lagdelte materialer til at vokse som øer i stedet for lag. I dette arbejde, Hong et al. derfor voksede 2-D molybdænnitrid og MoSi ₂ N ₄ forbindelse ved hjælp af kemisk dampaflejring.

Under forsøgene, forskerne brugte et kobber/molybdæn (Cu/Mo) dobbeltlag som substrat og ammoniak (NH) ₃ ) gas som kilde til nitrogen. Da de introducerede elementært silicium til forsøgsopstillingen, væksten af ​​substratet ændrede sig markant til dannelse af en ensartet polykrystallinsk film. Holdet bestemte tykkelsen af ​​materialeoverfladen ved hjælp af atomkraftmikroskopi (AFM) og bemærkede, at overfladevækstprocessen var robust. Typisk, tilføjelsen af ​​et element til et voksende 2-D materiale kan kun forårsage doping uden at ændre krystalstrukturen af ​​matrixen. Men i dette tilfælde, tilsætning af silicium førte til en ny enkeltlagsforbindelse i stedet for blot at dope substratet. Hong et al. identificerede krystalstrukturen af ​​det nydannede 2-D-materiale ved hjælp af avanceret transmissionselektronmikroskopi (TEM) og testede dets overfladeelementer ved hjælp af energidispersiv røntgenspektroskopi (EDS), elektronenergitabsspektroskopi (EELS) og røntgenfotoelektronspektroskopi (XPS).

Da det var svært at afbilde de nøjagtige positioner af nitrogenatomer ved hjælp af transmissionselektronmikroskopi, holdet udførte density functional theory (DFT) beregninger af forbindelsen for at afsløre dens strukturformel. Processen bekræftede tilstedeværelsen af ​​et van der Waals (vdW) lagdelt 2-D materiale indeholdende MoSi ₂ N ₄ formel. Derefter ved hjælp af molekylær dynamikberegninger, de observerede, at strukturen var dynamisk og termodynamisk stabil - mens Raman-spektre indikerede høj krystalkvalitet af MoSi ₂ N ₄ struktur. Ved at bruge DFT-beregninger igen, Hong et al bemærkede MoSi ₂ N ₄ monolag for at opretholde halvlederegenskaber (optiske og elektriske egenskaber) sammen med en bærermobilitet, der var afhængig af materialets elasticitetsmodul.

At studere de optiske egenskaber af monolaget MoSi ₂ N ₄ film, Hu et al. overførte det til et safirsubstrat og målte dets båndgab, hvor det halvledende monolag opretholdt en høj optisk transmittans sammenlignelig med grafen. For at teste materialernes elektriske transportegenskaber, Hong et al. fabrikerede back-gatede felteffekttransistorenheder til at observere typisk halvlederadfærd. Forskerne målte derefter monolagsfilmens mekaniske egenskaber ved hjælp af nanoindentation for at fremhæve membranens elastiske opførsel. Det nydannede materiale viste langsigtet stabilitet til håndtering, opbevaring, og forarbejdning under omgivende forhold uden et beskyttende miljø i modsætning til andre materialer.

Oprettelse af en bred klasse af 2-D van der Waals (vdW) lagdelte materialer

Hong et al. viste, hvordan forskellige overgangsmetalelementer potentielt kunne erstatte de tilsvarende elementer i MoSi ₂ N ₄ baseret på yderligere DFT-beregninger for at skabe en bred klasse af 2-D van der Waal lagdelte materialer med lignende krystalstruktur. I dette tilfælde, de repræsenterede materialerne med den generelle formel MA ₂ Z ₄ , hvor M repræsenterede et tidligt overgangsmetal, A var silicium eller germanium og Z stod for nitrogen, fosfor eller arsen. Den elementære mangfoldighed i MA ₂ Z ₄ , tilladt bred afstemning af deres båndgab og magnetiske egenskaber med applikationer inden for optoelektronik, elektronik og spintronik. Ved at bruge sådanne materialer, forskerne vil være i stand til at undersøge hidtil ukendte spændende egenskaber og anvendelser, der findes inden for lagdelte materialer. På denne måde den kemiske dampaflejringsmetode, der er beskrevet her, vil bane vejen for at syntetisere forskellige materialer i 2-D og monolagsformer.

© 2020 Science X Network