研究背景

二维材料领域长期以来认为，所有单原子厚度的材料必须源自于具有层状结构的三维晶体。这种教条主义观点推动了许多研究人员利用机械剥离和化学合成方法获得各种二维材料，如石墨烯和MXenes。然而，直到最近，没有出现没有三维对应体的二维材料的例子。2020年，科学家们通过在MoN2单层表面施加硅保护层，成功抑制了其进一步生长，并形成了MoSi2N4这样的七层二维材料。这一发现打破了传统认知，成为新的研究热点。

MoSi2N4的合成不仅令人振奋，还引发了对其电子性质和结构特征的广泛研究兴趣。尽管初步合成的MoSi2N4显示出半导体性质，但该材料家族的其他成员可能具有金属、磁性以及高室温电子迁移率等特性，这些潜在性质为材料科学和应用技术开辟了新的前景。

然而，挑战也随之而来。例如，如何精确控制这些复杂的七层结构，以及如何实现预测的电子性质，仍然是当前研究的主要难题。为了克服这些挑战，科学家们采用了化学气相沉积和透射电子显微镜等先进技术，以确定和优化材料的结构和性质。

成果简介

鉴于此，瑞士保罗谢勒研究所T. Latychevskaia教授、 新加坡国立大学D. A. Bandurin教授联合 K. S. Novoselov教授（2010年诺贝尔物理学奖）合作在“Nature Reviews Physics”期刊上发表了题为“A new family of septuple-layer 2D materials of MoSi2N4-like crystals”的最新论文。

文中提到，在未来，预计将会出现更多新的七层二维材料成员，包括具有破坏对称性的Janus结构和更复杂的化学组成。这些材料不仅有助于理解新的物理现象，还有望在电子器件、催化剂和光电子应用等领域展现出新的潜力。因此，MoSi2N4的合成开创了一个全新的研究领域，展示了二维材料设计与合成的潜力和可能性，为未来材料科学的发展带来了重要启示和方向。

研究亮点

（1）实验首次报道了合成MoSi2N4和WSi2N4这两种七层二维材料。这些材料不同于传统的二维材料，因为它们没有天然的层状晶体对应体，并是通过化学气相沉积技术获得的。

（2）实验通过透射电子显微镜分析确认了MoSi2N4和WSi2N4的七层结构，排列为N-Si-N-Mo-N-Si-N。这种结构使得这些材料具有复杂的层间相互作用和多种晶体相的可能性。另外，研究还表明，MoSi2N4是一种半导体，而WSi2N4则可能具有金属或磁性特性，显示出室温电子迁移率极高的特性。这些电子性质的预测使得这些材料在电子器件和光电子应用方面具有重要的潜力。

（3）该研究不仅仅限于MoSi2N4和WSi2N4，而是展示了一整个新材料家族的可能性，可以通过类似的方法合成多种类似结构的材料。这些材料的命名规则为MA2Z4，其中M代表IVB、VB和VIB族的过渡金属元素，A代表Si或Ge，Z代表N、P或As。这种材料家族的潜在应用包括催化和光电子应用，特别是具有破坏外平面反转对称性的Janus结构材料，如MoSiGeN4，它们具有内置的偶极矩，对于特定的应用场景可能尤为有利。

图文解读

图1：MoSi2N4晶体家族结构。

图2. MoSi2N4(MoN)4透射电子显微镜研究。

图3. MA2Z4系列的谷对比特性。

图4：MA2Z4结构的触点。

图5：不同的激子和弛豫过程。图6: 在MoSi2N4–MoS2范德华异质结构中，能带排列和能隙。图7: MA2Z4材料的光催化性能。

结论展望

新型七层二维材料展示了通过化学气相沉积等现代合成技术创造出无天然三维对应体的二维材料的可能性，突破了传统对二维材料来源的局限性。其次，七层结构的设计不仅在化学成分上具有丰富的变化空间，还允许观察到多种晶体相转变，为探索新的量子现象和开发新型范德瓦尔斯异质结构提供了理论和实验基础。这些材料的多样性质，如金属、半导体、铁磁和超导性质的预测，为电子学、光电子学甚至神经形态计算等领域的新型应用提供了前景。此外，其相对较大的厚度不仅增强了机械稳定性，还提供了利用横向电场调控电子和光学性质的独特机会，对于光催化等能源转换技术具有重要意义。尽管实验合成新成员尚有挑战，但这些前沿材料的发现已经为未来材料设计、合成和应用研究开辟了新的道路。

文献信息

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