石墨烯(graphene)的成功剥离打开了二维材料研究领域的大门,其在电学、光学、热学和力学等方面的独特物理化学特性和巨大的应用前景受到了研究人员的广泛关注。十几年来,众多其他二维层状材料,如六方氮化硼、过渡族金属硫族化合物、黑磷烯等,也相继被开发出来。这些二维材料均存在已知的块体母体材料,可以较容易地通过剥离块体母体材料来获得。但是,目前自然界已知的母体层状材料的数量有限。因此,探索不存在已知母体材料的二维层状材料,可极大拓展二维材料的物性和应用,具有重要的科学意义和实用价值。过渡金属碳化物和氮化物(TMCs和TMNs)是一类结合了陶瓷和金属性质的非层状材料。早期研究表明,使用化学气相沉积(CVD)法可制备出具有不同结构的高质量二维非层状TMCs和TMNs晶体,如正交Mo2C、六方WC、立方TaC等。然而,由于表面能的限制,这些非层状材料倾向于岛状生长而非层状生长,因此只能得到厚度仅几纳米、横向尺寸约100微米的二维非层状晶体,使得大面积均匀厚度的制备依然存在挑战。所以,促进TMCs或TMNs晶体的层状生长是成功实现其均匀生长至单层厚度极限的关键。本工作创造性地在非层状氮化钼的CVD生长过程中引入硅(Si)元素,通过Si钝化非层状氮化钼表面的高能位点,从而改变其岛状生长模式,制备出一种新型二维层状MoSi2N4单晶及薄膜,进而系统研究了其基本物性。采用相似思路,还制备出了相同结构的二维WSi2N4晶体。取得的主要成果如下:采用以铜箔/钼片(Cu/Mo)双金属叠片为生长基底的常压CVD方法,在铜箔处于熔化再凝固的高温状态下,引入Si源并使用氨气(NH3)作为氮源,制备得到单层MoSi2N4单晶以及厘米尺度的单层MoSi2N4多晶薄膜,进而通过化学刻蚀铜箔实现了高质量转移。另外,通过加大氨气流量可获得多层MoSi2N4晶体。结构表征表明,MoSi2N4单层由七层原子堆垛形成,即N-Si-N-Mo-N-Si-N,可看作是由两个Si-N层夹持氮化钼层(N-Mo-N)构成,Si层与其相邻的两层N层组成Si-N四面体层(Si3N4的基本结构单元)。MoSi2N4独特的结构赋予了其一系列独特的物理化学性质。研究表明,单层MoSi2N4为p型半导体,具有～1.94 eV的间接带隙;在532 nm的激光下具有拉曼共振效应;在可见光范围内透光率很高(97.5%左右);同时,具有优异的力学性质,其单晶的杨氏模量和断裂强度分别高达491.4 GPa和65.8 GPa;且在多种化学环境中具有较好稳定性。MoSi2N4的生长开辟了制备不存在三维母体材料的新型二维层状材料的方向,开拓了一个全新的二维层状材料家族。在MoSi2N4工作的基础上,以铜箔/钨片(Cu/W)双金属叠片为生长基底,直接在高温下固态Cu/W基底上进行生长,成功制备出了二维WSi2N4晶体,其具有与MoSi2N4相同的化学计量比和晶体结构。进一步通过合作,采用理论计算预测出10多种可以稳定存在、与MoSi2N4具有相同化学计量比和晶体结构的新型二维三元层状材料,形成一个新的二维三元层状材料家族。