二维半导体材料，因其高导热性和载流子迁移率，对于下一代电子和光电子器件的发展至关重要。然而，根据长期以来的Slack准则，已报道的二维半导体，如MoS2、WS2、MoSe2、WSe2和单层黑磷烯，由于其晶体结构的复杂性、较大的平均原子质量以及相对较弱的化学键，其热导率远低于硅（约142 W·m-1·K-1）。尽管晶体结构更复杂，但近期发现的单层MoSi2N4半导体被预测具有同时高水平的热导率和载流子迁移率。在这项研究中，采用非接触式光热拉曼技术，实验测定了化学气相沉积生长的悬空单层MoSi2N4在室温下的高热导率，约为173 W·m-1·K-1。通过第一性原理计算，研究指出这种异常高的热导率归功于MoSi2N4的高德拜温度和格林耐森系数，这两个因素均受到最外层Si-N双层引起的高杨氏模量的强烈影响。这项研究报导了单层MoSi2N4作为下一代电子和光电子器件的优势，为设计具有高效热传导性能的二维材料提供了宝贵的指导。

  MoSi2N4是一种新兴的人工vdW层状二维半导体，单层带隙为~1.94 eV，没有天然的三维对应物，采用化学气相沉积(CVD)方法生长。单层MoSi2N4的结构可以看作是MoN2单层上下夹了两层Si-N(图1a, 图2b)，这种独特的结构使得该材料比典型的二维半导体单层MoS2具有更高的理论电子和空穴迁移率、光学透过率、断裂强度和杨氏模量。

  样品制备：在化学气相沉积(CVD)过程中，采用单质硅对非层状二维氮化钼的表面悬垂键进行钝化处理，并在Cu/Mo双层衬底上生长MoSi2N4晶体。随后，将这些晶体转移到不同的衬底上（具体方法详见原文）。通过原子力显微镜(AFM)测量得到的MoSi2N4晶体的均匀厚度为~1.2 nm(图1b, c)，相当于单层。并且这种单层三角形薄片是单晶(图1d)，其中N原子位于Mo-Si蜂窝晶格的中心(图1e)。

  光吸收系数：将CVD生长的MoSi2N4样品转移到抛光的石英衬底上，测量其光学透射光谱(图1f)。薄膜呈浅红色，其可见光透过率为92.2% ~ 99.7%，平均为97.5±0.2%。在532 nm(测量热导率的激光波长)处的透射率为94.48%。光吸收系数α值等于1减去透过率值，即α = 5.52%，二维材料的反射率可以忽略。

  厚度：如图1g-i所示，MoSi2N4为vdW层状晶体，每一层都具有夹层结构。测量两层MoN2之间的层间距为1.07 nm(图1g)，作为单层MoSi2N4的厚度。

  光热拉曼法测量热导率大致上可以分为两步，第一步是测量温度系数，即不一样的温度下的拉曼位移；第二步是测量功率系数，即不同激光功率下的拉曼位移。

  如图2a所示，单层MoSi2N4有四个主要的拉曼峰，分别位于~290 cm−1、~350cm−1、~632cm−1和~695 cm−1，分别对应于Si-N、Mo-Si-N、Mo-N和Si-N的振动模式(图2b)。为便于描述，将它们分别命名为SN1、MSN、MN和SN2。对于光热拉曼技术，提取的热导率与选择用于分析的拉曼峰无关。因此尽可能地选择最敏感的拉曼峰来做分析。在检测温度(293 ~ 573 K)和激光功率(0.25~4 mW)范围内，SN1模式变化最大，红移分别为~6.3 cm−1和~3.0 cm−1。

  图3a为单层MoSi2N4导热系数的光热拉曼测量示意图。MoSi2N4样品放在SiO2/Si衬底的孔上悬空，激光照射在孔中心上方的样品上。在SiO2/Si衬底表面渡了一层100nm厚的Au作为热沉来提高界面处的导热。考虑到空气的对流换热对样品的导热影响，这里采用真空环境测量，确保热量仅沿面内方向传导，而没有面外方向的传导。

  悬空MoSi2N4的SN1峰相对于有衬底支撑时出现红移，这还在于悬空样品存在拉应力。一般来说，拉伸应力会导致化学键的软化，进而导致拉曼峰的红移，压缩应力则相反。

  实验采用直径为6 μm的孔，在50倍镜下，孔径比光斑(~1.18μm)大得多。孔和激光光斑尺寸提供了足够的空间分辨率，可以准确地确定样品的位置，获得样品中心精确的拉曼光谱。COMSOL仿线 μm的激光光斑能保证孔边缘附近的温度达到环境和温度，来保证了热导率提取的准确性。

  图3f为温度从293K间隔20K递增至573K，MoSi2N4的拉曼光谱，g图为SN1拉曼峰的变化，随着温度的升高，SN1峰逐渐红移。峰位与温度的一阶线i, j为不同激光功率下的拉曼峰位移，图3k为线/mW。

  考虑径向热流从悬空MoSi2N4区域中心向孔边缘传播，室温下单层MoSi2N4的热导率可以通过如下公式计算：

  其中光吸收率、温度系数、厚度、功率系数都已得到，计算出悬空单层MoSi2N4的热导率为173.03±4.04 W/mK。与文献值（~224-439 W/mK）相差不多。另外，还测量了氮气环境下的热导率为227.05±4.32 W/mK，比线 W/mK，说明对流换热不可忽略。

  考虑不同孔直径的影响，文章测量了孔径为3,4,5,6μm下的单层MoSi2N4的热导率，随着孔径的增大，热导率显著增大，是因为在6 μm直径的孔径下，具有较大平均自由程较大的低频声子被激发，并在6 μm直径时趋于收敛。这也说明了6 μm直径对于测量单层MoSi2N4的热导率是合适的。

  根据Slack的标准，高热导率的晶体一般具有以下特点：低平均原子质量，简单的晶体结构(原胞原子数N少)，强的原子间键合(高杨氏模量)和低的非调和性。从上述三个特性比较了单层MoSi2N4和其他二维半导体的热导率，如图4a。如图4b所示，所报道的二维半导体的导热系数一般随着N从3到8的增加而减小，但原胞原子数N=7的MoSi2N4的热导率却异常的高，背离Slack标准。具有相近的平均原子质量的材料热导率远低于MoSi2N4（图4c）。单层MoSi2N4具有比其他二维材料更高的杨氏模量（图4d），杨氏模量与原子间键强度有关，说明键强度对单层MoSi2N4的高热导率具备极其重大作用。

  采用基于密度泛函理论的VASP计算了单层MoSi2N4的热导率，进一步计算了Debye温度θ (436.45 K)和频率相关的格林耐森系数γ (300 K时0.77)。然后，根据公式讨论了单层MoSi2N4的让热导率与本征参数的关系：

  的关系，其中MoSi2N4的数值最为突出。这些材料的平均原子质量和δ都差不多，只有德拜温度和格林耐森系数相差较大，因此较大的θ^3/γ^2值对单层MoSi2N4 的高热导率更重要。德拜温度和格林耐森系数本质上都与化学键强度有关，最终能够最终靠杨氏模量反应。MoSi2N4中，外层的Si-N键比内层的Mo-N键更强，声子谱中两个低频光学支大多数来源于外层的Si-N键的贡献。另外，对比MoSi2N4与Si2N2（去掉中间的MoN2）的热导率，前者为492.7 W/mK，后者高达819.5W/mK（室温下），因此外层的Si-N键对单层MoSi2N4的高热导率起到了关键作用。

  这项工作在单层MoSi2N4中发现了异常高的让热导率，这不仅确认了该材料同时具备高载流子迁移率，成为下一代电子和光电子器件的基准二维半导体，而且还为设计具有高效热传导性能的二维材料提供了宝贵见解。实验测得的单层MoSi2N4的热导率低于理论计算值，这主要可以归结于两个因素：一是通过iDPC-STEM成像观察到MoSi2N4晶体存在一定浓度的氮空位等热力学平衡点缺陷；二是MoSi2N4中的褶皱，作为一种面外扭曲形变，导致强烈的声子局域化和增强的声子散射，以此来降低了热导率。制备高质量的单层MoSi2N4晶圆级单晶是利用其高热导率和电荷载流子迁移率的关键，对于其在下一代电子和光电子器件中的应用至关重要。