Nitrures monocouches stabilisants avec du silicium

Croissance du dépôt chimique en phase vapeur de MoSi2N4. (A) Schéma de deux processus de croissance CVD, montrant que le MoSi2N4 en couches est formé en ajoutant simplement du Si pendant la croissance du Mo2N 2D non en couches. (B) Images optiques de MoSi2N4 cultivées par CVD pendant 30 min, 2 heures, et 3,5 heures, illustrant le processus de formation d'un film monocouche MoSi2N4 (schéma montré en haut). Les échantillons ont été transférés sur des substrats SiO2/Si. (C) Photographie d'un film MoSi2N4 cultivé par CVD de 15 mm × 15 mm transféré sur un substrat SiO2/Si. (D) Une image AFM typique du film MoSi2N4, montrant une épaisseur d'environ 1,17 nm. (E) Image en coupe HAADF-STEM d'un domaine MoSi2N4 épais, montrant une structure en couches avec un espacement intercouche d'environ 1,07 nm. Crédit :Avancées scientifiques, doi:10.1126/science.abb7023

Dans un nouveau rapport publié dans Science , Yi-Lun Hong et un groupe de chercheurs en science des matériaux, ingénierie, et la technologie de pointe en Chine et au Royaume-Uni ont étudié des matériaux bidimensionnels (2D) pour découvrir de nouveaux phénomènes et des propriétés inhabituelles. L'équipe a introduit du silicium élémentaire lors de la croissance basée sur le dépôt chimique en phase vapeur du nitrure de molybdène pour passiver sa surface et développer à l'échelle centimétrique, films de nitrure monocouche avec du silicium tel que MoSi 2 N 4 . Ils ont construit le film monocouche avec sept couches atomiques dans l'ordre azote-silicium-azote-molybdène-azote-silicium-azote (N-Si-N-Mo-N-Si-N), et le matériau résultant a montré un comportement semi-conducteur et une excellente stabilité dans les conditions ambiantes. En utilisant les calculs de la théorie fonctionnelle de la densité (DFT), les scientifiques ont prédit l'existence d'une grande famille de ces matériaux 2-D structurés monocouche avec des applications utiles comme les semi-conducteurs, métaux et demi-métaux magnétiques.

Matériaux bidimensionnels

Les matériaux bidimensionnels ont des propriétés attrayantes qui conviennent à une variété d'applications techniques. Parmi ceux-ci, les carbures et nitrures de métaux de transition (TMC et TMN) peuvent former une grande famille de matériaux non stratifiés pour combiner les propriétés des céramiques et des métaux. La phase MAX, où M représente un métal de transition précoce, A est un élément du groupe A tel que l'aluminium ou le silicium et X est le carbone, l'azote ou les deux, constitue la base des MXenes monocouches. De tels films monocouches peuvent être sélectivement synthétisés par gravure de la couche d'élément A. Ces matériaux ont une surface hydrophile (qui aime l'eau) et une conductivité électrique élevée avec des applications prometteuses, notamment le stockage d'énergie, capteurs et catalyse. Les scientifiques ont récemment mis au point une méthode de dépôt chimique en phase vapeur (CVD) pour produire des cultures de haute qualité, cristaux 2-D TMC et TMN non stratifiés avec des structures diverses. Mais les contraintes d'énergie de surface ont provoqué la croissance des matériaux non stratifiés sous forme d'îlots au lieu de couches. Dans ce travail, Hong et al. donc fait pousser du nitrure de molybdène 2-D et le MoSi 2 N 4 composé par dépôt chimique en phase vapeur.

Domaines épais de MoSi2N4 synthétisés avec un taux d'alimentation plus élevé en gaz ammoniac (NH3). (A) Image de microscopie à force atomique (AFM) d'un domaine MoSi2N4 épais non uniforme, montrant des marches d'une hauteur uniforme d'environ 1,1 nm. (B) Image optique d'un domaine MoSi2N4 épais développé sur une surface monocouche. Crédit :Avancées scientifiques, doi:10.1126/science.abb7023

Développer et caractériser les matériaux 2-D nouvellement formés

Lors des expérimentations, les scientifiques ont utilisé une bicouche cuivre/molybdène (Cu/Mo) comme substrat et l'ammoniac (NH 3 ) gaz comme source d'azote. Lorsqu'ils ont introduit du silicium élémentaire dans le dispositif expérimental, la croissance du substrat a changé de façon marquée pour former un film polycristallin uniforme. L'équipe a déterminé l'épaisseur de la surface du matériau à l'aide de la microscopie à force atomique (AFM) et a noté que le processus de croissance de la surface était robuste. Typiquement, l'ajout d'un élément à un matériau 2-D en croissance ne peut que provoquer un dopage sans modifier la structure cristalline de la matrice. Mais dans ce cas, l'ajout de silicium a conduit à un nouveau composé monocouche au lieu de simplement doper le substrat. Hong et al. identifié la structure cristalline du matériau 2-D nouvellement formé à l'aide de la microscopie électronique à transmission avancée (MET) et testé ses éléments de surface à l'aide de la spectroscopie à rayons X à dispersion d'énergie (EDS), spectroscopie de perte d'énergie électronique (EELS) et spectroscopie photoélectronique à rayons X (XPS).

Prédictions DFT de la famille MA2Z4. (A à C) Structure de bande électronique de (A) monocouche WSi2N4, (B) MoSi2As4, et (C) VSi2N4 calculé avec PBE. En (C), les courbes bleue et rouge correspondent aux canaux de spin-up et de spin-down de la structure de bande électronique de la configuration d'ordonnancement ferromagnétique, respectivement. Crédit :Avancées scientifiques, doi:10.1126/science.abb7023

Confirmation du MoSi 2 N 4 formule et en mettant en évidence les propriétés du matériau.

Comme il était difficile d'imager les positions exactes des atomes d'azote en utilisant la microscopie électronique à transmission, l'équipe a effectué des calculs de la théorie fonctionnelle de la densité (DFT) du composé pour révéler sa formule structurelle. Le processus a confirmé la présence d'un matériau 2-D stratifié van der Waals (vdW) contenant le MoSi 2 N 4 formule. Puis à l'aide de calculs de dynamique moléculaire, ils ont observé que la structure était dynamiquement et thermodynamiquement stable - tandis que les spectres Raman indiquaient une qualité cristalline élevée du MoSi 2 N 4 structure. En utilisant à nouveau les calculs DFT, Hong et al ont noté le MoSi 2 N 4 monocouche pour maintenir les propriétés des semi-conducteurs (propriétés optiques et électriques) ainsi qu'une mobilité des porteurs reposant sur le module d'élasticité du matériau.

Caractérisations structurales du MoSi2N4. (A) Image de microscopie électronique à transmission (HAADF-STEM) annulaire à angle élevé et à angle élevé de la monocouche MoSi2N4. L'encart est le profil d'intensité le long de la ligne tiret-point rouge, indiquant que les points brillants sont des atomes de Mo et les points moins brillants sont des atomes de Si. L'intensité de l'image est proportionnelle à Z1.7 (où Z est le numéro atomique). (B) Image HAADF-STEM à fort grossissement en coupe transversale de MoSi2N4 multicouche, montrant une structure en couches et des atomes de Mo et de Si dans chaque couche. Les atomes N sont marqués selon la structure calculée. (C à F) Image en coupe HAADF-STEM (C) d'un MoSi2N4 multicouche, les cartographies EDS haute résolution correspondantes des éléments Mo (D) et Si (E), et cartographie EDS mixte des éléments Mo et Si (F). (G à I) Image en coupe HAADF-STEM (G) d'un MoSi2N4 multicouche, montrant clairement la couche de Mo, et la cartographie EELS haute résolution correspondante des éléments Si (H) et N (I). Les lignes colorées en (G) représentent les positions des différents éléments (bleu, Mo ; vert, Si; rouge, N). Crédit :Avancées scientifiques, doi:10.1126/science.abb7023

Pour étudier les propriétés optiques de la monocouche MoSi 2 N 4 film, Hu et al. transféré sur un substrat de saphir et mesuré sa bande interdite, où la monocouche semi-conductrice a maintenu une transmittance optique élevée comparable au graphène. Pour tester les propriétés de transport électrique des matériaux, Hong et al. des transistors à effet de champ à grille arrière fabriqués pour observer le comportement typique des semi-conducteurs. Les scientifiques ont ensuite mesuré les propriétés mécaniques du film monocouche en utilisant la nanoindentation pour mettre en évidence le comportement élastique de la membrane. Le matériau nouvellement formé a montré une stabilité à long terme pour la manipulation, espace de rangement, et le traitement dans des conditions ambiantes sans environnement protecteur contrairement à d'autres matériaux.

Structure atomique, structure de bande, et optique, électrique, et les propriétés mécaniques du MoSi2N4. (A) Le modèle atomique de MoSi2N4 avec trois couches (à gauche) et la structure cristalline détaillée en coupe transversale (au centre) et dans le plan (à droite) de la monocouche. (B) Structure de bande électronique de la monocouche MoSi2N4 calculée avec PBE (lignes bleues) et HSE (lignes rouges), respectivement. Les flèches vertes indiquent deux transitions excitoniques directes au point K, avec le dédoublement d'énergie provenant du couplage spin-orbite VB. (C) Spectre d'absorption optique d'un film monocouche MoSi2N4 dans le domaine visible. L'encart montre que le pic à 500 à 600 nm peut être adapté en deux sous-pics, A (560 nm, 2,21 eV) et B (527 nm, 2,35 eV), correspondant aux deux transitions excitoniques directes en (B). (D) Tracé Tauc d'un film monocouche MoSi2N4. L'encart montre la transmittance optique dans la plage visible. (E) Caractéristiques de transfert d'une monocouche MoSi2N4 BG-FET en échelle linéaire (axe de gauche, courbes inférieures) et l'échelle logarithmique (axe de droite, courbes supérieures) mesurée à 77 K. Longueur du canal, 30 millimètres. En médaillon :schéma 3D d'un BG-FET à base de MoSi2N4 sur un substrat de Si avec du SiO2 à 290 nm. (F) Une courbe force-déplacement typique d'une monocouche de MoSi2N4 monocristalline en nanoindentation AFM. Le noir, bleu, et les lignes rouges sont le chargement, déchargement, et courbes ajustées, respectivement. En médaillon :image AFM d'une monocouche de MoSi2N4 suspendue avant test d'indentation; le profil de hauteur (ligne rouge) le long de la ligne pointillée jaune montre une indentation de ~23 nm dans le trou. (G) Comparaison du module d'Young et de la résistance à la rupture du MoSi2N4 monocouche avec ceux du graphène monocouche, MoS2, et MXenes rapportés dans la littérature. Toutes les valeurs de résistance ont été dérivées selon le modèle élastique linéaire. Le module et la résistance calculés par DFT de la monocouche MoSi2N4 (étoile ouverte) et le module et la résistance du graphène monocouche que nous avons mesuré (carré ouvert) sont également inclus. Crédit :Avancées scientifiques, doi:10.1126/science.abb7023

Création d'une large classe de matériaux stratifiés 2D van der Waals (vdW)

Hong et al. a montré comment divers éléments de métaux de transition pourraient potentiellement remplacer les éléments correspondants dans MoSi 2 N 4 basé sur des calculs DFT supplémentaires pour créer une large classe de matériaux stratifiés 2D van der Waal avec une structure cristalline similaire. Dans ce cas, ils représentaient les matériaux avec la formule générale de MA 2 Z 4 , où M représentait un métal de transition précoce, A était le silicium ou le germanium et Z l'azote, phosphore ou arsenic. La diversité élémentaire dans MA 2 Z 4 , ont permis une large accordabilité de leur bande interdite et de leurs propriétés magnétiques avec des applications en optoélectronique, électronique et spintronique. En utilisant de tels matériaux, les scientifiques seront en mesure d'étudier des propriétés et des applications passionnantes jusqu'ici inconnues qui existent dans les matériaux en couches. De cette façon, la méthode de dépôt chimique en phase vapeur décrite ici ouvrira la voie à la synthèse de divers matériaux sous forme 2-D et monocouche.