二维过渡金属碳化物晶界结构的电子显微学研究

As a kind of important topological defects, grain boundaries (GBs) have a significant influence on the properties of two-dimensional (2D) materials such as graphene and molybdenum disulfide; however, the research on GB atomic structure of 2D materials is only confined to several layered 2D materials so far. Two-dimensional transition metal carbides (TMCs) are a class of new 2D non-layered materials with unique physical properties and wide application prospect. In this project, we will use aberration-corrected transmission electron microscopy (TEM) combined with theoretical calculation to study the GB structure of chemical vapor deposition (CVD)-grown several typical high-quality ultrathin TMCs at atomic scale, and illuminate the characteristic of GB structure influenced by crystalline structure. We will investigate the relationship between GB structure and strain distribution, boundary energy, and electronic states. Further, we will also study the GB chemical activity and mechanical and electrical properties of 2D TMCs under the impact of GB structure and strain, constructing the relationship between structure and properties. Through the implementation of this project, it can not only increase people’s knowledge about the defects of 2D non-layered materials which are bonded by chemical bonds, but also provide guidance for tailoring the properties of 2D TMCs through GB engineering.

作为一种重要的拓扑缺陷，晶界对石墨烯、二硫化钼等二维材料的性能具有重要影响，然而目前对二维材料晶界原子结构的研究只限于几种层状二维材料。二维过渡金属碳化物（TMC）是一类具有独特物理性质和广泛应用前景的新型二维非层状材料。本项目拟利用像差校正电子显微术结合理论计算，对化学气相沉积法制备的几种典型高质量二维TMC的晶界进行原子尺度结构研究，揭示其晶界原子结构特征，阐明二维TMC晶体结构对晶界结构的影响，研究应变分布、界面能、界面电子态与晶界结构的关系。在此基础上，探究晶界结构及其应变对晶界化学活性和二维TMC电学、力学性质的影响，建立二维TMC的晶界结构与其性质的相互关系。通过本项目的实施，不仅可丰富人们对以化学键结合的二维非层状材料微观缺陷的认识，也可为通过晶界工程调控二维TMC的性能提供指导。

本项目系统研究了CVD生长的二维Mo2C晶体在不同失配角度下的晶界结构及其对输运性质的影响，揭示了二维Mo2C晶体的Cr元素掺杂行为。发现二维Mo2C晶体的平直形和波浪形位错阵列小角晶界和锯齿状保守大角晶界构型。发现二维Mo2C存在两种周期结构晶界，分别为∑7重位点阵晶界和平移型孪晶界，二者具有90°或30°位向关系。电荷输运结果表明，晶间室温电阻比晶内高出一个数量级；晶间电阻表现出非单调的温度依赖性。在低温下，晶间电阻随着温度的降低而显著增加，电子在晶界区域出现很强的局域化行为，导致在特征温度下出现电阻极小值，其特征温度随着晶界失配角的增大向高温转移。此外，通过晶界的临界电流显著降低，晶界强烈抑制了二维Mo2C的超导电性。除此之外，发现Cr元素是以晶格取代的方式偏聚到二维Mo2C的晶界，Cr元素的偏聚提高了晶界的抗腐蚀性、抑制了晶间超导。另外，Cr元素掺杂可诱导二维Mo2C晶体从超导态转变为无公度电荷密度波态。 .本项目探索了新型氮化物MoSi2N4及其同源化合物的结构特征，构建了MoSi2N4的晶体学序参量，揭示了MoSi2N4同源化合物的同源机制及其力学和电学特性。从实验上阐明了MoSi2N4的Mo-N三棱柱与Si-N四面体配位结构。发现ABC堆垛的MoSi2N4具有更大的长程有序性和最小的形成能，形成空间群为R3m、晶格参数为a=b=2.92Å、c=30.30Å的菱方结构晶体。此外，发现相邻两层MoSi2N4晶体的缝隙被Mo-N层填充，相对的SiN双层被Mo-N层所取代，只保留最外侧的SiN层，形成了MoSi2N4(MoN)4新物态；Mo-N层可连续贯穿多层MoSi2N4晶体，形成系列新物态并具有普适的化学式MoSi2N4(MoN)4n。此类新物态为MoSi2N4的同源体系，可通过扩展MoSi2N4内部的MoN层获得，也可看成是MoN晶体的表面悬键被SiN层钝化形成的超厚单分子层。理论研究表明MoSi2N4(MoN)n（n=1-4）具有较高的杨氏模量，是一类声子介导的超导体，其中MoSi2N4(MoN)4的超导转变温度为9.02K。.项目的开展开启了新型过渡金属碳化物、氮化物研究的新篇章，为未来基于此类材料结构的性质探索奠定了基础。