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美国橡树岭国家实验室发现一种可以自己为食来获取原子“构建块二维材料

美国能源部(DOE)橡树岭国家实验室(ORNL)的科学家们发现了一种二维材料,可以自己为食来获取原子“构建块”,进而形成稳定的结构,该成果有望改进二维材料的设计,满足快速充电能量存储和电子器件的使用,研究成果发表在《自然通信》上。

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图为研究结果示意图 


研究成果

ORNL的Xiahan Sang说:“在我们的实验条件下,钛和碳原子可以自发地形成一个原子层厚的二维过渡金属碳化物,这是以前从未观察到过的”。他和ORNL的Raymond Unocic领导了一个研究团队,使用最先进的扫描透射电子显微镜(STEM)进行实验,并结合基于理论的模拟,揭示机制的原子细节。

 

研究过程

开始材料是称为MXene的二维陶瓷(发音为“max een”)。与大多数陶瓷不同,因为MXenes由夹在过渡金属(如钛)中的交替碳或氮原子层制成,是良好的电导体。


实验中使用的高质量材料由德雷克塞尔大学的科学家以MXene的五层单晶单层薄片的形式合成。薄片取自称为“MAX”的母体晶体,其含有由“M”表示的过渡金属,用“A”表示铝或硅等元素,用“X”表示碳原子或氮原子。研究人员使用酸性溶液蚀刻出单原子铝层,剥离材料并将其分层为单个碳化钛MXene(Ti3C2)单层。

 

ORNL科学家在一个加热的芯片上悬挂了一大块带有钻孔的MXene薄片,因此没有会对薄片形成干扰的支撑材料或衬底。在真空下,悬浮的薄片暴露于热并用电子束照射以清洁MXene表面使其完全暴露钛原子层。


MXenes通常是惰性的,因为它们的表面覆盖有保护性功能团-氧、氢和氟原子在酸剥落后仍然存在。除去保护性功能团后,剩余的物质被激活。原子级缺陷-在蚀刻期间去除钛原子时产生的“空位”-暴露在单层的外层上。Sang说:“这些原子空位是很好的起始点,有利于钛和碳原子从缺陷部位移动到表面。”在有缺陷的区域中,当原子迁移时可能形成孔。一旦这些功能团消失了,就会留下一层裸钛层(下面是交替的碳,钛,碳,钛),可以自由地重建并在现有结构的顶部形成新结构。”

 

结果验证

高分辨率STEM成像证明原子从材料的一部分移动到另一部分以构建结构。由于这种物质以自身为食,因此增长机制是同类相食。

 

研究团队

在ORNL的纳米材料科学中心(CNMS),Yu Xie,Weiwei Sun和Paul Kent进行了第一性原理理论计算,以解释为什么这些材料逐层生长而不是形成如正方形的交替结构。Xufan Li和Kai Xiao协助理解了生长机制,它最大限度地减少了表面能量以稳定原子配置。宾夕法尼亚州立大学的科学家们进行了大规模的动态反应力场模拟,显示了原子如何在表面重新排列,证实了在实验中观察到的缺陷结构及其演化。

 

意义

研究人员希望这些新知识能够帮助其他人培育先进的材料并产生有用的纳米级结构。


Unocic说:“该项研究的目的是确定负责形成二维过渡金属碳化物新结构的原子级机制和动力学,以便为这类材料实现新的合成方法。”


宾夕法尼亚州立大学的Adri van Duin说:“生长机制完全由密度泛函理论和反应性分子动力学模拟支持,从而开启了使用这些理论工具来确定合成特定缺陷结构所需的实验参数的未来可能性。”


德雷塞尔大学的Yury Gogotsi说:“由于MXenes含有钼,铌,钒,钽,铪,铬和其他金属,因此有机会制造出截面多于三个或四个金属原子的各种新结构(MXenes生产的电流限制来自MAX阶段)。这些材料可能会显示出不同的有用特性,并为推进技术创造了一系列2D构建模块。”

 

下一步研究

大多数时候,只有一层碳和钛在表面上生长。随着原子构建新层,材料发生了变化,如Ti3C2变成Ti4C3。Unocic说:“这些材料在离子传输方面效率很高,非常适合电池和超级电容器应用。当我们在纳米薄的MXene板上添加更多层时,离子迁移如何变化?”这个问题可能刺激未来的研究。

 

项目支持

该研究是“流体界面反应、结构和运输(FIRST)中心”的一个项目,该中心是DOE能源前沿研究中心之一,目标是探索对日常应用中的能量传输产生影响的流体-固体界面反应。科学家们通过实验合成和表征先进材料,进行理论和模拟工作,以解释观察到的材料的结构和功能特性。FIRST项目的新知识为未来的研究提供了指导。

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