MXenes был совместно обнаружен Майклом Нагибом, теперь научным сотрудником Wigner в Национальной лаборатории Oak Ridge при Министерстве энергетики, когда он работал над своей докторской диссертацией в Университете Дрекселя в 2011 году. Слои MXene можно комбинировать для создания сверхтонкой электроники, датчиков, батарей, суперконденсаторов и катализаторов. . С тех пор было зарегистрировано около 20 MXenes.Недавно ученые ORNL, используя современную сканирующую просвечивающую электронную микроскопию, или STEM, предоставили первое прямое доказательство наличия атомных дефектных конфигураций в карбиде титана MXene, синтезированном в Университете Дрекселя.
Опубликованное в ACS Nano, журнале Американского химического общества, исследование объединило определение характеристик в атомном масштабе и измерения электрических свойств с теоретическим моделированием.?«Используя сканирование просвечивающей электронной микроскопии с атомным разрешением, мы визуализировали дефекты и кластеры дефектов в MXene, которые очень важны для будущих наноэлектронных устройств и каталитических приложений», — сказал ведущий автор Сяхан Санг из Центра науки о нанофазных материалах (CNMS). Управление науки Министерства энергетики США в ORNL.
«Дефекты атомарного уровня могут быть преобразованы в материалы, чтобы обеспечить новые функциональные возможности», — сказал старший автор Рэймонд Юночич из CNMS. «Понимание этих дефектов имеет решающее значение для продвижения материалов».Атомная визуализация с разных точек зрения была ключом к раскрытию структуры MXene.
Когда образец выровнен с электронным лучом в STEM-инструменте, наблюдатель не может сказать, сколько листов лежит под верхним слоем. Но просто наклоните образец, и различия сразу же появятся. Например, многолистовой слой состоит из уложенных друг на друга атомов — структуры, которая формирует размытое изображение при наклоне слоя.
Появление резких изображений атомов при различных условиях наклона однозначно доказывает однослойную структуру MXene.
Простое серийное производство хорошего 2D-проводникаMXenes сделаны из трехмерного (3D) объемного кристалла под названием MAX («M» обозначает переходный металл; «A» — элемент, такой как алюминий или кремний, из определенной химической группы; и «X» — либо углерод или азот). В решетке MAX, из которой возник MXene, исследованный в этом исследовании, три слоя карбида титана зажаты между слоями алюминия.Исследователи Drexel усовершенствовали методику, разработанную в 2011 году и измененную в 2014 году, чтобы синтезировать MXene из основной фазы MAX с использованием кислот.
Усовершенствованный метод называется минимально интенсивным расслоением слоев, или MILD. «Выбрав MILD, мы получили большие хлопья высококачественного MXene», — сказал Мохамед Альхабеб, аспирант по материаловедению в Университете Дрекселя, который совершил этот подвиг вместе с другой аспиранткой, Кэтрин Ван Акен, под руководством один из соавторов MXenes, заслуженный профессор университета и директор AJ Институт наноматериалов Drexel Юрий Гогоци.Чтобы синтезировать отдельно стоящие хлопья MXene, команда Drexel сначала обработала большую часть MAX травителем из фторидной соли и соляной кислоты для выборочного удаления нежелательных слоев алюминия между слоями карбида титана. Затем они вручную встряхнули протравленный материал, чтобы отделить и собрать слои карбида титана. Каждый слой имеет толщину в пять атомов и состоит из атомов углерода, связывающих три титановых листа.
Травление и отшелушивание MAX производит многие из этих отдельно стоящих слоев MXene. Этот относительно простой метод может позволить производить серийное производство.Травление создает дефекты — пустоты, которые появляются, когда атомы титана вытягиваются с поверхности. «Дефекты» действительно хороши во многих областях применения материалов. Их можно вводить в материал и манипулировать им для улучшения его полезных каталитических, оптических или электронных свойств.
Исследование показало, что чем больше концентрация травителя, тем больше создается дефектов. «У нас есть возможность настраивать концентрацию дефектов, которая может быть использована для настройки физико-химических свойств устройств хранения и преобразования энергии», — сказал Санг.Более того, количество дефектов не сильно повлияло на электропроводность MXene. В CNMS Мин-Вэй Линь и Кай Сяо измерили физические свойства, включая электропроводность, различных многообещающих 2D-материалов. Они обнаружили, что MXene был на порядок менее проводящим, чем идеальный лист графена, но на два порядка более проводящим, чем металлический дисульфид молибдена.
Используя моделирование и симуляцию, Пол Кент и Ю Се из ORNL рассчитали энергию, необходимую для создания атомных конфигураций дефектов, которые, как показал STEM Санга, были преобладающими.Затем исследователи планируют настроить дефекты на атомарном уровне, чтобы адаптировать конкретное поведение.