IF：86.2！「国家杰青」团队，最新Nature系列综述：新一代二维材料家族！作者仅三个人，全中文署名！

新一代二维材料家族：MoSi₂N₄的崛起与前沿进展

二维材料作为近年来材料科学的重要前沿，以其原子级厚度和独特物理化学性质备受瞩目。从石墨烯、六方氮化硼到过渡金属二硫族化合物，人们大多是通过对已知三维材料的剥离或生长来获得二维形态。然而，这种方式几乎总是依赖于已有的块体晶体，限制了二维材料的性能拓展与多样化。尤其是非层状材料，其表面存在大量悬挂键，导致高表面能，极难稳定存在于二维形式。但这些悬挂键也蕴含了巨大的调控潜力。如果能通过合适元素的饱和钝化来构筑全新的人工二维范德华（vdW）层状材料，便可能开启二维材料研究的新篇章。2020年，研究者首次通过化学气相沉积在铜基底上引入硅原子，实现了非层状氮化钼的表面钝化，从而合成出全新的七原子层二维晶体——MoSi₂N₄。这一突破不仅打破了二维材料只能依赖三维母体的局限，也为人们设计全新二维体系提供了范例。

自MoSi₂N₄问世以来，科学家迅速发现这一体系可推广为更为庞大的MA₂Z₄家族（其中M为过渡金属，A为Si或Ge，Z为N、P或As）。目前已有超过百种成员被理论预测，涵盖金属、半导体、超导体、拓扑绝缘体、铁电体与铁磁体，展现出极其丰富的电学、光学、热学、力学以及磁学特性。在电子器件、光电器件、电催化、光催化乃至储能电池等方向，MA₂Z₄材料均显示出巨大的应用潜力。过去四年间，这一新兴家族迅速成为材料科学最炙手可热的研究前沿。在此，中科院金属所任文才研究员课题组系统总结了其晶体结构、合成方法、基本物性与应用前景，并提出未来的研究方向。相关成果以“The van der Waals MoSi2N4 materials family”为题发表在《Nature Reviews Materials》上，第一作者为周天亚。

从结构起点到材料版图

MoSi₂N₄的独特结构由七层原子构成，可描述为MoN₂层夹在两个Si–N层之间（图1a, 1b）。这种“夹心”式结构兼具MoN₂的过渡金属性质和Si₃N₄的稳定骨架，使其在仅有1.07纳米厚度下表现出优异的半导体行为。随着这一结构范式的提出，研究者很快将其拓展为通式MA₂Z₄，并在理论层面建立起完整的材料“元素周期表”（图2）。其中不仅包含MoSi₂N₄与WSi₂N₄等已被实验证实的成员，还预测出百余种可能的新型二维材料，为未来实验探索指明了方向。

图1：MoSi2N4的合成和晶体结构

图2：范德华 MoSi2N4材料家族的“周期表”

进一步的结构解析显示，MA₂Z₄材料可在不同堆垛方式和相型间转化（图3）。除了基础的α、β、γ、δ四类稳定相，还能通过“结构编辑”获得丰富衍生物：如通过替代原子层形成Janus结构，通过插入额外MZ₂层形成同系物，或通过去除原子层形成新型ZMAZ₂化合物。这种灵活的设计方式被形象地比喻为材料的“基因编辑”，大大拓展了二维材料的多样性。

图3：MA2Z4材料及其衍生物的晶体结构

可控制备与工艺挑战

合成方面，化学气相沉积（CVD）是当前最主要方法。研究人员采用双层金属箔作为基底与前驱体，成功在大面积上生长出均匀的MoSi₂N₄单层薄膜（图4a, 4b）。当金属源由Mo替换为W时，也能获得WSi₂N₄，但其生长速率明显减慢，只能形成微米级晶畴（图4c）。通过调控氨气流量，可实现从单层到多层的演化，甚至获得内部含多层MoN的同系物MoSi₂N₄(MoN)₈（图4d, 4e）。这些结果表明，CVD不仅能合成原始材料，还能为结构编辑提供路径。此外，物理气相沉积（PVD）亦被用于低温制备厚膜，但晶体质量仍有待提升。

图4：MSi2N4的合成（M = MO，W）及其衍生物

丰富的物性展现

在电子能带方面，MoSi₂N₄表现为间接带隙半导体，带隙约1.94 eV，且层数依赖性极弱（图5a）。相比MoS₂等传统二维半导体，其带隙几乎不随层数增加而衰减，显示出独特的层独立性。同时，不同元素组合可带来从金属、半金属到超导体的多样电子相（图5b）。理论预测部分成员具备极高的载流子迁移率，VSi₂N₄甚至可达10⁶ cm²/V·s的空穴迁移率，远超多数二维半导体。

图5：MoSi2N4和其他MA2Z4材料的电子带结构

在光学性质上，单层MoSi₂N₄的光吸收谱展现出明显的激子峰（图6a），且透过率高达97.5%，兼具石墨烯的透明性与半导体的带隙特征。其力学性能同样突出，杨氏模量接近500 GPa，超过大多数二维材料，仅次于石墨烯与h-BN（图6b）。此外，AB堆垛的双层结构被预测具有滑移铁电性，极化强度优于其他二维体系（图6c）。在热输运方面，MoSi₂N₄的面内热导率可达439 W/m·K（图6d），远高于常见二维半导体，归因于强健的Si–N键。更令人瞩目的是其金属接触性能：与金属电极形成肖特基界面时，Fermi能级钉扎效应极弱，能实现近理想欧姆接触（图6e）。

图6：MoSi2N4和其他MA2Z4材料的性能

在磁性与自旋谷物理领域，MA₂Z₄家族同样表现亮眼。已有约40种单层材料被预测具铁磁性，涵盖铁磁金属、半金属铁磁体、半导体铁磁体和双极磁性半导体（图7a）。其中部分材料的居里温度超过室温，VSi₂As₄甚至可达964 K，远高于传统二维磁体。单层结构因打破反演对称性而产生显著的谷极化效应，可实现自旋–谷耦合与谷霍尔效应（图7b, 7c）。这些特性为自旋电子学与谷电子学开辟了新方向。

图7：磁性和自旋 - valley特性

多领域应用探索

MoSi₂N₄及其家族在应用层面展现出广阔前景（图8）。在电子与光电子器件方面，基于MoSi₂N₄的亚5纳米场效应晶体管被预测性能超过国际半导体技术路线图2028标准，既满足高开态电流，又具备低功耗特征（图8a）。在电催化领域，引入氮空位或异质掺杂后，MoSi₂N₄的析氢反应性能显著提升，可媲美铂催化剂（图8b）。在光催化水分解中，MoSi₂N₄及其异质结具备合理的带隙与能带位置，可高效利用太阳能（图8c）。在储能方向，VSi₂N₄等材料被预测作为锂离子电池负极，容量高达1312 mAh/g，远超石墨，同时保持极低的离子扩散势垒与良好循环稳定性（图8d）。

图8：MA2Z4材料的应用

总结与展望

MoSi₂N₄材料家族的发现，开启了人工二维vdW材料的全新纪元。尽管目前仅有MoSi₂N₄与WSi₂N₄实现实验合成，但理论预测已勾勒出庞大的家族蓝图。未来的核心挑战在于如何突破合成瓶颈，制备高质量、大面积、可控层数与堆垛的单晶材料。同时，缺陷调控、宏观组装与器件集成也将成为推动应用落地的关键。值得期待的是，随着人工智能驱动的材料设计和自动化实验平台的崛起，MA₂Z₄家族的探索有望加速进入全面开花的阶段。可以预见，这一新兴二维材料体系将不仅在基础物理中孕育新现象，更将在电子、能源与信息技术中开辟新的产业机遇。

来源：高分子科学前沿

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