Новый способ создания двумерных материалов без использования агрессивных химикатов приносит большие результаты
MXены — это новый класс двумерных материалов, свойства которых сильно зависят от атомов, связанных с их поверхностями. Новый подход к синтезу позволяет исследователям контролировать эти поверхностные структуры с беспрецедентной точностью.
Впервые обнаруженные в 2011 году, MXены представляют собой быстрорастущее семейство ультратонких неорганических материалов толщиной всего в несколько атомов. Их структура состоит из слоистых переходных металлов, связанных с углеродом или азотом, при этом дополнительные атомы присоединяются к открытым внешним поверхностям. Эти поверхностные атомы имеют важное значение, поскольку они в значительной степени определяют поведение материала. «Они сильно влияют на движение электронов в материале, его стабильность и взаимодействие со светом, теплом и химической средой», — объясняет доктор Махди Горбани-Асл из Института физики ионных пучков и исследований материалов в HZDR.
В течение многих лет MXены в основном создавались с помощью процессов химического травления. Хотя эти методы эффективны, они оставляют после себя мозаику из различных атомов на поверхности, обычно кислорода, фтора или хлора, расположенных в неупорядоченном виде. «Этот атомный беспорядок ограничивает производительность, поскольку он захватывает и рассеивает электроны, подобно выбоинам, замедляющим движение на шоссе», — описывает доктор Дунци Ли из Технического университета Дрездена.
Новая разработанная технология GLS использует другой подход, исключая агрессивные химические вещества. Вместо этого она основана на твердых прекурсорных материалах, называемых MAX-фазами, в сочетании с расплавленными солями и парами йода для образования тонких листов MXены. Такая установка позволяет исследователям управлять тем, какие атомы галогенов, включая хлор, бром или йод связывается с поверхностью. В результате, полученные таким способом MXены обладают высокостабильной и упорядоченной структурой поверхности, а также значительно меньшим количеством примесей.
Используя метод GLS, исследовательская группа создала MXены из восьми различных MAX-фаз, продемонстрировав, что этот процесс работает в широком диапазоне материалов. Ученые также провели расчеты методом теории функционала плотности (DFT), чтобы лучше понять, как различные атомы на поверхности влияют как на стабильность, так и на электронное поведение.
«Сочетая теорию с нашей экспериментальной способностью точно контролировать поверхностные окончания, мы открываем новый путь к MXенам с улучшенной стабильностью и заданными функциональными свойствами», — заключает Горбани-Асл.
Выдающаяся проводимость от идеально упорядоченных поверхностей
Чтобы продемонстрировать значимость этого достижения, исследователи изучили один из наиболее широко изученных MXенов — карбид титана Ti₃C₂. При получении стандартными химическими методами Ti₃C₂ обычно содержит на своей поверхности смесь хлора и кислорода, что препятствует протеканию электричества через материал. В отличие от этого, В Ti₃C₂Cl₂, полученном с использованием процесса GLS, присутствуют только атомы хлора, расположенные в точном и упорядоченном порядке без измеримых загрязнений.
«Результаты были поразительными. Вариант MXene с хлорсодержащими концевыми группами показал 160-кратное увеличение макроскопической проводимости и 13-кратное увеличение терагерцовой проводимости по сравнению с тем же материалом, полученным традиционными методами». Кроме того, наблюдалось почти четырехкратное увеличение подвижности носителей заряда, ключевого показателя свободы движения электронов в материале», — резюмирует Ли.
Эти значительные улучшения напрямую связаны с более чистой химией поверхности. Когда атомы хлора равномерно распределены по поверхности MXene, электроны сталкиваются с меньшим количеством помех и могут перемещаться более эффективно. Компьютерное моделирование квантового транспорта подтвердило этот эффект, показав, что упорядоченные поверхности значительно уменьшают захват и рассеяние электронов, что объясняет существенные улучшения, наблюдаемые в экспериментах.
Создание 2D-материалов для технологий будущего
Помимо электрического транспорта, исследование показывает, что изменение типа галогена на поверхности также меняет способ поглощения электромагнитных волн MXene. Это означает, что материалы могут быть разработаны для конкретных применений, таких как радиолокационно-поглощающие покрытия, электромагнитное экранирование и беспроводные компоненты следующего поколения. Например, MXene с хлорными концевыми группами демонстрируют сильное поглощение в диапазоне частот 14–18 ГГц, в то время как MXene с бромными и йодными концевыми группами поглощают в другом диапазоне частот. окна.
Этот метод также предоставляет мощную платформу для проектирования MXenes с заданными свойствами поверхности. Смешивая различные галогенидные соли, исследователи получили MXenes с двойными или даже тройными галогенными концевыми группами и точно контролируемыми соотношениями. Эта возможность «настраивать» состав поверхности открывает новые возможности для персонализации MXenes для применения в электронике, катализе, хранении энергии, фотонике и других областях.
В целом, исследование представляет собой значительный прогресс в химии MXenes. Впервые продемонстрирован щадящий и широко применимый метод синтеза, позволяющий получать высокоупорядоченные MXenes с точно контролируемыми концевыми группами поверхности. По мнению авторов, метод GLS может ускорить разработку материалов следующего поколения для гибких электронных устройств.
