图1. CVD生长二维层状MoSi₂N₄

　　以石墨烯为代表的二维范德华层状材料具有独特的电学、光学、力学、热学等性质，在电子、光电子、能源、环境、航空航天等领域具有广阔的应用前景。目前广泛研究的二维层状材料，如石墨烯、氮化硼、过渡金属硫族化合物、黑磷烯等，均存在已知的三维母体材料。探索不存在已知三维母体材料的二维层状材料，可极大拓展二维材料的物性和应用，具有重要的科学意义和实用价值。 

　　2015年，沈阳材料科学国家研究中心任文才、成会明团队发明了双金属基底化学气相沉积（CVD）方法，制备出了多种不同结构的非层状二维过渡金属碳化物晶体，如正交Mo₂C、六方WC和立方TaC，并发现超薄Mo₂C为二维超导体（Nature Materials, 2015）。然而受表面能约束，富含表面悬键的非层状材料倾向于岛状生长，因此难以得到厚度均一的单层材料。 

图2. 二维层状MoSi₂N₄的结构表征

　　该团队最近研究发现，在CVD生长非层状二维氮化钼的过程中，引入硅元素可以钝化其表面悬键，从而制备出一种不存在已知母体材料的全新的二维范德华层状材料MoSi₂N₄，并获得了厘米级单层薄膜。单层MoSi₂N₄包含N-Si-N-Mo-N-Si-N 7个原子层，可以看成是由两个Si-N层夹持单层MoN（N-Mo-N）构成。采用类似方法，还制备出了单层WSi₂N₄。 

图3. 二维层状MoSi₂N₄的原子结构、电子结构、及光学、电学和力学性质

　　在此基础上，他们与金属所陈星秋研究组和孙东明研究组合作，发现单层MoSi₂N₄具有半导体性质（带隙约1.94 eV）和优于MoS₂的理论载流子迁移率，还表现出优于MoS₂等单层半导体材料的力学强度和稳定性；并通过理论计算预测出了十多种与单层MoSi₂N₄具有相同结构的二维层状材料，包含不同带隙的半导体、金属和磁性半金属等。 

图4. 理论预测的二维层状MoSi₂N₄材料家族

　　该工作不仅开拓了全新的二维层状MoSi₂N₄材料家族，拓展了二维材料的物性和应用，而且开辟了制备全新二维范德华层状材料的研究方向，为获得更多新型二维材料提供了新思路。 

　　该工作得到了国家自然科学基金委杰出青年科学基金、重大项目、中国科学院从0到1原始创新项目、先导项目以及国家重点研发计划等的资助。