p Em um novo relatório publicado em Ciência , Yi-Lun Hong e um grupo de cientistas pesquisadores em ciência dos materiais, Engenharia, e tecnologia avançada na China e no Reino Unido investigou materiais bidimensionais (2-D) para descobrir novos fenômenos e propriedades incomuns. A equipe introduziu o silício elementar durante o crescimento de nitreto de molibdênio baseado em deposição química de vapor para passivar sua superfície e desenvolver em escala centimétrica, filmes de nitreto monocamada com silício, como MoSi ₂ N ₄ . Eles construíram o filme monocamada com sete camadas atômicas na ordem de nitrogênio-silício-nitrogênio-molibdênio-nitrogênio-silício-nitrogênio (N-Si-N-Mo-N-Si-N), e o material resultante apresentou comportamento semicondutor e excelente estabilidade sob as condições ambientais. Usando cálculos da teoria funcional da densidade (DFT), os cientistas previram a existência de uma grande família de tais materiais 2-D estruturados em monocamada com aplicações úteis como semicondutores, metais e semimetais magnéticos. p Materiais bidimensionais

p Os materiais bidimensionais têm propriedades atraentes que são adequadas para uma variedade de aplicações técnicas. Destes, carbonetos e nitretos de metais de transição (TMCs e TMNs) podem formar uma grande família de materiais sem camadas para combinar propriedades de cerâmica e metais. A fase MAX, onde M representa um metal de transição inicial, A é um elemento do grupo A, como alumínio ou silício e X é carbono, nitrogênio ou ambos, forma a base para MXenes monocamada. Esses filmes de monocamada podem ser sintetizados seletivamente gravando a camada do elemento A. Esses materiais têm uma superfície hidrofílica (amorosa à água) e alta condutividade elétrica com aplicações promissoras, incluindo armazenamento de energia, sensores e catálise. Os cientistas desenvolveram recentemente um método de deposição de vapor químico (CVD) para cultivar de alta qualidade, cristais TMC e TMN 2-D sem camada com estruturas diversas. Mas as restrições de energia da superfície fizeram com que os materiais sem camadas crescessem como ilhas em vez de camadas. Nesse trabalho, Hong et al. portanto, cresceu nitreto de molibdênio 2-D e o MoSi ₂ N ₄ composto usando deposição de vapor químico.

p Desenvolver e caracterizar os materiais 2-D recém-formados

p Durante os experimentos, os cientistas usaram uma bicamada de cobre / molibdênio (Cu / Mo) como substrato e amônia (NH ₃ ) gás como fonte de nitrogênio. Quando eles introduziram o silício elementar na configuração experimental, o crescimento do substrato mudou marcadamente para formar um filme policristalino uniforme. A equipe determinou a espessura da superfície do material usando microscopia de força atômica (AFM) e observou que o processo de crescimento da superfície era robusto. Tipicamente, a adição de um elemento a um material 2-D em crescimento só pode causar dopagem, sem alterar a estrutura cristalina da matriz. Mas neste caso, adicionar silício levou a um novo composto monocamada em vez de simplesmente dopar o substrato. Hong et al. identificou a estrutura cristalina do material 2-D recém-formado usando microscopia eletrônica de transmissão avançada (TEM) e testou seus elementos de superfície usando espectroscopia de raios-x dispersiva de energia (EDS), espectroscopia de perda de energia de elétrons (EELS) e espectroscopia de fotoelétrons de raios-X (XPS).

p Confirmando o MoSi ₂ N ₄ fórmula e destacando as propriedades do material.

p Uma vez que era difícil obter imagens das posições exatas dos átomos de nitrogênio usando microscopia eletrônica de transmissão, a equipe realizou cálculos de teoria funcional da densidade (DFT) do composto para revelar sua fórmula estrutural. O processo confirmou a presença de um material 2-D em camadas de van der Waals (vdW) contendo o MoSi ₂ N ₄ Fórmula. Então, usando cálculos de dinâmica molecular, eles observaram que a estrutura é dinâmica e termodinamicamente estável - enquanto os espectros Raman indicaram alta qualidade do cristal do MoSi ₂ N ₄ estrutura. Usando cálculos DFT novamente, Hong et al notaram o MoSi ₂ N ₄ monocamada para manter as propriedades semicondutoras (propriedades ópticas e elétricas) ao lado de uma mobilidade portadora que dependia do módulo de elasticidade do material.

p Para estudar as propriedades ópticas da monocamada MoSi ₂ N ₄ filme, Hu et al. transferiu-o para um substrato de safira e mediu o seu bandgap, onde a monocamada semicondutora manteve uma alta transmitância óptica comparável ao grafeno. Para testar as propriedades de transporte elétrico dos materiais, Hong et al. dispositivos de transistor de efeito de campo com back-gated fabricados para observar o comportamento típico do semicondutor. Os cientistas então mediram as propriedades mecânicas do filme monocamada usando nanoindentação para destacar o comportamento elástico da membrana. O material recém-formado mostrou estabilidade de longo prazo para manuseio, armazenar, e processamento sob condições ambientais sem um ambiente protetor em contraste com outros materiais.

p Criação de uma ampla classe de materiais em camadas 2-D van der Waals (vdW)

p Hong et al. mostrou como diversos elementos de metal de transição poderiam potencialmente substituir os elementos correspondentes no MoSi ₂ N ₄ com base em cálculos DFT adicionais para criar uma ampla classe de materiais em camadas de van der Waal 2-D com estrutura de cristal semelhante. Neste caso, eles representavam os materiais com a fórmula geral de MA ₂ Z ₄ , onde M representava um metal de transição inicial, A era silício ou germânio e Z significava nitrogênio, fósforo ou arsênico. A diversidade elementar em MA ₂ Z ₄ , permitiu ampla sintonia de seu bandgap e propriedades magnéticas com aplicações em optoeletrônica, eletrônica e spintrônica. Usando esses materiais, os cientistas serão capazes de investigar propriedades e aplicações excitantes até agora desconhecidas que existem em materiais em camadas. Desta maneira, o método de deposição de vapor químico descrito aqui abrirá o caminho para sintetizar diversos materiais em formas 2-D e monocamada. p © 2020 Science X Network