单层 WSi2N4 与 MoSi2N4 中的点缺陷

微小缺陷，巨大影响

电子器件由薄到可以只有一个原子厚的晶体构成。在这样脆弱的薄片中，哪怕一个原子位置错误或缺失，也能改变电和热的传导方式。本研究深入考察了两种新型超薄半导体中的这些微小缺陷，并展示了如何将它们从令人烦恼的问题转变为未来器件的有力设计工具。

一种新族的超薄晶体

工作聚焦于最近发现的一类材料 MoSi2N4 和 WSi2N4。每种材料都是由金属、硅和氮构成的七层原子“夹心”单层。这些薄片机械强度高、热导良好，在电学性能上已优于许多知名的二维材料。由于其复杂的结构，它们能容纳多种类型的原子缺陷，因而比像石墨烯这样更简单的薄片提供了更多可调行为的途径。

观察单个原子的缺失

为确切识别出现的缺陷类型，研究人员使用了能够分辨单个原子的先进电子显微镜。通过结合对轻元素和重元素敏感的两种成像模式，再加上计算机模拟与量子计算，他们绘制出单层 WSi2N4 中十种不同点缺陷的分布，并证实 MoSi2N4 中存在类似缺陷。有些缺陷是空位，即一个或多个氮、硅或钨原子缺失；另一些是反位缺陷，即原子占据了错误的位点，例如硅原子取代了氮原子的位置。研究者还统计了每种缺陷的出现频率，并将这些频率与晶体生长过程中各缺陷的形成难易度联系起来。

缺陷如何重塑电学与磁学行为

接着，团队研究了这些微小缺陷如何改变电子的运动。利用第一性原理量子计算，他们证明许多常见缺陷会缩小使材料呈现半导体行为的能隙，其中若干缺陷甚至完全闭合能隙，使薄片表现出金属性质。有些缺陷引入局域电子态，充当陷阱，阻碍载流子移动并降低迁移率；而另一些缺陷，例如某些硅取代氮的位点，则可能相较于完美晶体提高空穴迁移率。部分缺陷会产生自旋极化的电子能带，在缺陷周围带来小的磁矩。对实际样品的扫描隧道测量证实，特定缺陷会降低局部带隙甚至产生金属化区域，与理论预测相符。

当缺陷连接成线与网络

除了孤立的缺陷外，研究人员发现某些缺陷倾向于聚集成有序的模式。在 MoSi2N4 中，重复的硅取代氮可以形成一个平面状的二维网络，像薄片内的断层平面；而成对的硅原子替代金属原子则能组成一维链。计算表明这些延展结构在能量上更为有利，于高温生长过程中形成。它们强烈重塑电子能带结构，同样会缩窄或闭合能隙，并引入主要与网络或链上被替换原子相关的新电子态。

通过调控缺陷设计器件

总体而言，这些结果把缺陷从一个模糊的问题变成了详尽的设计工具包。通过选择有利于某类空位或取代的生长条件，工程师可以在 WSi2N4 或 MoSi2N4 薄片的局部把某些区域调为更金属化以改善电接触、引入用于自旋器件的磁性区域，或调整热流与光吸收。通俗地说，研究表明在这些超薄晶体中精心布置的原子级缺陷可以用来绘制定制的电子通道和原子尺度的磁性斑块。

引用: Tong, J., Cao, Y., Wang, YK. et al. Point defects in monolayer WSi₂N₄ and MoSi₂N₄. Nat Commun 17, 4319 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-70946-7

关键词: 二维半导体, 原子缺陷, MoSi2N4, WSi2N4, 缺陷工程