二維材料，如石墨烯、六方氮化硼和過渡金屬二硫族化合物，通常受到已知三維體材料的限制。設(shè)計(jì)和合成全新的二維材料，特別是范德華（vdW）層狀材料，將極大地?cái)U(kuò)展二維材料的特性和功能。2020年，通過在二維非層狀氮化鉬表面添加硅進(jìn)行鈍化，合成了一種新型的vdW層狀材料MoSi2N4，從此開辟了通式為MA2Z4的vdW新材料家族。

由于MA2Z4中元素和結(jié)構(gòu)的多樣性，除了已合成的MSi2N4（M=Mo、W）之外，還預(yù)測出了100多種MA2Z4材料及其衍生物，包括金屬、半導(dǎo)體、超導(dǎo)體、拓?fù)浣^緣體、鐵電體和鐵磁體。這些材料展現(xiàn)出多種卓越的電子、光學(xué)、熱學(xué)、力學(xué)、鐵電和磁學(xué)性能，在電子和光電子器件、電催化、光催化和電池等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。在過去的4年里，MoSi2N4材料家族迅速成為材料科學(xué)領(lǐng)域的一個(gè)關(guān)鍵研究前沿。

中國科學(xué)院金屬研究所任文才研究員等人總結(jié)了MoSi2N4材料家族的研究進(jìn)展，涵蓋了它們的晶體結(jié)構(gòu)、合成方法、基本性質(zhì)和潛在應(yīng)用，并對未來的研究方向進(jìn)行了展望。相關(guān)工作以《The van der Waals MoSi2N4 materials family》為題在《Nature Reviews Materials》上發(fā)表論文。

圖2 通式為MA2Z4的vdW新材料家族

盡管已經(jīng)取得了實(shí)質(zhì)性進(jìn)展，但MoSi2N4材料家族的探索仍處于起步階段，從預(yù)測和合成到性能和應(yīng)用研究，仍存在許多挑戰(zhàn)。特別是，MA2Z4材料的實(shí)驗(yàn)研究遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于理論研究，主要是由于合成材料的可用性有限。迄今為止，只合成了MoSi2N4和WSi2N4，而其他預(yù)測的MA2Z4材料盡管具有有趣的預(yù)期性能，但尚未實(shí)現(xiàn)。目前，開發(fā)有效的合成方法是當(dāng)務(wù)之急。

對于MoSi2N4和WSi2N4，高質(zhì)量的塊狀晶體、大面積薄膜、可擴(kuò)展的納米片及其宏觀結(jié)構(gòu)對于其應(yīng)用和性能探索至關(guān)重要。然而，目前可用的材料仍然存在明顯的缺陷，這阻礙了它們的本征性質(zhì)。盡管單層MoSi2N4薄膜和WSi2N4疇已經(jīng)通過CVD合成，類似于硅技術(shù)，但在電子、光電子和自旋電子器件中的應(yīng)用需要晶圓級單晶。此外，精確控制多層膜的層數(shù)和堆疊順序?qū)τ谟^察滑移鐵電等現(xiàn)象至關(guān)重要。同時(shí)，各種應(yīng)用領(lǐng)域，包括電催化、光催化、電池和復(fù)合材料，都高度依賴于MA2Z4納米片的可擴(kuò)展生產(chǎn)、缺陷工程和組裝。具有特定米勒指數(shù)和界面外延策略的合適單晶襯底可以實(shí)現(xiàn)具有特定堆疊順序的單晶和多層晶體的合成，而化學(xué)蒸汽傳輸和通量方法對于生產(chǎn)塊狀晶體是有效的。

此外，人工智能（AI）技術(shù)為加速新型MA2Z4材料及其衍生物的發(fā)現(xiàn)和合成開辟了新的途徑。人工智能驅(qū)動(dòng)的計(jì)算模型，如生成模型（例如微軟的MatterGen）、進(jìn)化算法和強(qiáng)化學(xué)習(xí)，可以大大加速新型MA2Z4材料的精確設(shè)計(jì)。自主Al驅(qū)動(dòng)的機(jī)器人化學(xué)家可以利用大規(guī)模材料數(shù)據(jù)庫生成初始合成方案，執(zhí)行自動(dòng)合成，進(jìn)行原位表征，并通過機(jī)器學(xué)習(xí)迭代優(yōu)化反應(yīng)參數(shù)，這將大大提高M(jìn)A2Z4材料的合成效率。一旦實(shí)現(xiàn)了這些材料的可控合成，對其有吸引力的性質(zhì)和潛在應(yīng)用的實(shí)驗(yàn)探索將成為未來研究的關(guān)鍵領(lǐng)域。

文獻(xiàn)信息

The van der Waals MoSi2N4 materials family，Nature Reviews Materials，2025.

https://www.nature.com/articles/s41578-025-00832-z

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