Downscaling of Non-Van der Waals Semimetallic W5N6 with Resistivity Preservation

电阻率和电导率 范德瓦尔斯力 缩小尺度 材料科学 凝聚态物理 物理 气象学 量子力学 降水 分子
作者
Hongze Gao,Da Zhou,Ping Lu,Zifan Wang,Nguyen Tuan Hung,Jun Cao,Michael Geiwitz,G. Natale,Yuxuan Lin,Kenneth S. Burch,Riichiro Saito,Mauricio Terrones,Xi Ling
出处
期刊:ACS Nano [American Chemical Society]
标识
DOI:10.1021/acsnano.4c12155
摘要

The bulk phase of transition metal nitrides (TMNs) has long been a subject of extensive investigation due to their utility as coating materials, electrocatalysts, and diffusion barriers, attributed to their high conductivity and refractory properties. Downscaling TMNs into two-dimensional (2D) forms would provide valuable members to the existing 2D materials repertoire, with potential enhancements across various applications. Moreover, calculations have anticipated the emergence of uncommon physical phenomena in TMNs at the 2D limit. In this study, we use the atomic substitution approach to synthesize 2D W5N6 with tunable thicknesses from tens of nanometers down to 2.9 nm. The obtained flakes exhibit high crystallinity and smooth surfaces. Electrical measurements on 15 samples show an average electrical conductivity of 161.1 S/cm, which persists while thickness decreases from 45.6 to 2.9 nm. The observed weak gate-tuning effect suggests the semimetallic nature of the synthesized 2D W5N6. Further investigation of the conversion mechanism elucidates the crucial role of chalcogen vacancies in the precursor for initiating the reaction and strain in propagating the conversion. Our work introduces a desired semimetallic crystal to the 2D material library with mechanistic insights for future design of the synthesis.
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