De ontdekking van nieuwe families van tweedimensionale (2-D) gelaagde materialen buiten grafeen heeft altijd veel aandacht getrokken, maar het blijft een uitdaging om de honingraat-atomaire roosterstructuur kunstmatig na te bootsen met meerdere componenten zoals hexagonaal boornitride in het laboratorium. In een nieuwe studie die nu is gepubliceerd op wetenschappelijke vooruitgang , Junseong Song en collega's van de afdelingen Energiewetenschappen, Nanostructuurfysica, Milieuwetenschappen en materiaalkunde in de Republiek Korea ontwikkelden een ongekende structuur van de Zintl-fase.

Ze construeerden het materiaal door sp . uit te zetten ² -gehybridiseerde honingraat ZnSb-lagen en via de dimensionale manipulatie van een kristalstructuur van de sp ³ -gehybridiseerde 3-D-ZnSb-toestand. De materiaalwetenschappers combineerden structurele analyse met theoretische berekeningen om een ​​stabiele en robuuste gelaagde structuur van 2-D-ZnSb te vormen. Dit fenomeen van tweedimensionaal polymorfisme werd niet eerder waargenomen bij omgevingsdruk in Zintl-families. Daarom, het nieuwe werk biedt een rationele ontwerpstrategie om nieuwe 2D-gelaagde materialen in verschillende verbindingen te zoeken en te creëren. De nieuwe resultaten zullen de onbeperkte uitbreiding van 2D-bibliotheken en hun bijbehorende fysieke eigenschappen mogelijk maken.

De komst van Dirac-fysica van grafeen leidde tot een explosieve interesse in onderzoek naar tweedimensionale (2-D) materialen met gevarieerde toepassingen in elektronica, magnetisme, energie en chemie tot kwantumfysica. Momenteel, 2-D-onderzoek is voornamelijk gericht op een paar 2-D-materialen die een enkele of meerdere atoomlagen bevatten die zijn geëxfolieerd van hun moederverbindingen, in tegenstelling tot 2-D atomaire kristallen zoals siliconen. Dit kan de methode van 2-D materiaalontwikkeling beperken tot twee benaderingen van exfoliatie en chemische dampafzetting. Het is daarom zeer wenselijk om het onderzoek naar 2D-materialen uit te breiden om kunstmatig een nieuw 2D-materiaal te creëren met een nieuwe synthetische benadering en om een ​​verscheidenheid aan materiaalgroepen te vormen.

Bij het ontdekken van nieuwe materialen, transformatie van een kristalstructuur is een algemeen erkende sleutelfactor. Waar de temperatuur-druk en elektrostatische dotering geïnduceerde structurele faseovergangen de kern vormen om een ​​nieuwe kristalstructuur te onderzoeken of om 2-D materiaaleigenschappen te veranderen. Bijvoorbeeld, de meeste overgangsmetaaldichalcogeniden vertonen polymorfe faseovergang om toegang te krijgen tot inherent diverse eigenschappen, waaronder supergeleidende en topologische toestanden. De transitie heeft geleid tot veelbelovende toepassingen, waaronder elektronische homojunctie, fotonische geheugenapparaten en katalytische energiematerialen.

Deze polymorfe overgangen traden alleen op tussen verschillende gelaagde structuren in dezelfde twee dimensies en moeten nog worden gerealiseerd tussen verschillende dimensies van een kristalstructuur bij omgevingsdruk. Het bereiken van ultieme kristaltechnologie en het veranderen van de structurele dimensie van verbindingen met meerdere componenten is een veelbelovende volgende grens in de materiaalwetenschap voorbij de allotropen van koolstof.

In het huidige werk, Song et al. stelde bidimensionaal polymorfisme vast via de ontdekking van 2-D gelaagde structuren in Zintl-fasen die een groot aantal chemische samenstellingen bevatten. Vanwege de sp ² hybride orbitale binding van honingraatgestructureerde 2-D atomaire kristallen zoals grafeen en hexagonaal boornitride, de wetenschappers verwachtten de 3D gestructureerde Zintl-fasen (met sp ³ hybride orbitale binding) om te transformeren naar sp ² honingraat gestructureerde 2D gelaagde materialen, ook, via elektronenoverdracht. Als proof-of-concept, Song et al. selecteerde een 3D orthorhombische ZnSb (3-D-ZnSb) Zintl-fase en creëerde de ongekende, 2-D gelaagde structuur van ZnSb (2-D-ZnSb).

Bij de nieuwe methode Song et al. eerste gesynthetiseerde gelaagde AZnSb (2-D-AZnSb) ternaire verbindingen; waarbij A verwijst naar een alkalimetaal zoals Na, Li en K. De materialen bevatten een gelaagde structuur van ZnSb door 3-D-ZnSb te transformeren via A-legering, hoewel de fasen onafhankelijk kunnen worden gesynthetiseerd. Song et al. heeft selectief etsen van A-ionen uitgevoerd om de 2-D-ZnSb in twee verschillende processen te creëren, inclusief (1) chemische reactie in oplossingen met gedeïoniseerd water, en (2) elektrochemische ionenetsreactie in op alkali gebaseerde elektrolyt.

Bijvoorbeeld, ze synthetiseerden het polykristallijne en enkelkristallijne 2-D-LiZnSb-tussensubstraat door eerst Li te legeren in polykristallijn 3-D-ZnSb, gevolgd door Li-ion-etsen om een ​​2-D-ZnSb-kristal te vormen. De wetenschappers maakten de Li-geëtste 2-D-ZnSb-kristallen gemakkelijk schoon met behulp van plakband-exfoliatie als mechanische splitsing om een ​​typisch vlak oppervlak te vertonen zoals gerapporteerd voor 2D-materialen.

Om het effect van het productieproces te begrijpen, ze onderzochten de rol van Li-legeringen en etsen op structurele transformaties met behulp van röntgenfoto-elektronspectroscopie (XPS) -metingen om het verschil tussen de 2D- en 3D-kristallen te onthullen. Om hun bevindingen verder te valideren, Song et al. gebruikte röntgendiffractie spectroscopie (XRD) patronen, transmissie-elektronenmicroscopie (TEM) waarnemingen en scanning tunneling elektronenmicroscopie (STEM) gecombineerd met energie-dispersieve spectroscopie (EDS) elementaire mapping om de atomaire structuur van 2-D-ZnSb te bevestigen.

Op basis van de resultaten, de wetenschappers interpreteerden de rekbare tussenlaagafstanden tussen zowel Zn-Zn- als Sb-Sb-atomen als zwakke tussenlaagbindingen en verifieerden dat de 2-D-ZnSb kon worden geëxfolieerd als een gelaagd materiaal. De nieuw ontwikkelde gelaagde structuur van 2-D-ZnSb in het huidige werk, voltooide de eerste ontdekking van tweedimensionaal polymorfisme in Zintl-fasen bij omgevingsdruk.

Overeenkomstig, Song et al. manipuleerde de sp ³ -gehybridiseerde bindingstoestand in 3-D-ZnSb in de sp ² staat in 2-D-ZnSb honingraatrooster. Eerdere studies naar polymorfe overgangen tussen 3D- en 2D-structuren in Zintl-fasen werden alleen onder hoge druk waargenomen. De huidige resultaten over tweedimensionaal polymorfisme tussen 3-D-ZnSb en 2-D-ZnSb benadrukten het potentieel en de brede beschikbaarheid van een dergelijke elektronenoverdracht om de kristalstructuur te transformeren.

Song et al. onderzocht vervolgens elektrische transporteigenschappen van tweedimensionale ZnSb-polymorfen en 2-D-LiZnSb-kristallen naast eerste-principeberekeningen van hun elektronische energiebandstructuur. In tegenstelling tot de halfgeleidende aard van 3-D-ZnSb, zowel 2-D-LiZnSb als 2-D-ZnSb vertoonden metallisch geleidingsgedrag. Toen ze de temperatuur verlaagden, de elektrische mobiliteiten van zowel 2-D-LiZnSb als 2-D-ZnSb namen toe tot een waarde die hoger was dan die van 3-D-ZnSb. De wetenschappers schreven de waargenomen vergrote bandbreedtes voor 2-D-ZnSb toe aan de verbeterde sp ² aard van honingraatgestructureerde lagen met verzwakte tussenlaaginteracties die het halfmetaal vormden. Ze gebruikten theoretische berekeningen om te bevestigen dat 2-D-ZnSb mechanisch in de dubbellaag kan worden geëxfolieerd om in een energetisch stabiele vorm als een 2D-materiaal te bestaan. terwijl de monolaag van 2-D-ZnSb energetisch ongunstig was.

Om structurele transformatie van tweedimensionale ZnSb-polymorfen tijdens 2-D-LiZnSb-vorming aan te tonen, de wetenschappers voerden synchrotron XRD uit - tijdens de elektrochemische reactie. Ze observeerden pieken die overeenkomen met Li-legering van 3-D-ZnSb bij zuivere 2-D-LiZnSb-vorming, gevolgd door het eindproduct van 2-D-ZnSb. Tijdens de elektrochemische reactie, de Li-atomen drongen selectief door in 3-D-ZnSb om de Zn-Sb- en Sb-Sb-bindingen te verbreken. Op het niveau van elektronenoverdracht, de gehybridiseerde bindingstoestand veranderd van sp ³ in 3-D-ZnSb naar sp ² in 2-D-LiZnSb om het gebobbelde honingraatrooster te vormen.

Het resultaat van op Li-legeringen gebaseerde 2-D-LiZnSb-transformatie leverde het 2-D-ZnSb-product op, die niet terugkeerde naar zijn 3D-vorm. Song et al. toonde aan dat eenmaal gevormd, de gelaagde 2-D-ZnSb was een stabiel materiaal met een honingraatarchitectuur, valideren van de stabiele tweedimensionale polymorfe overgang. De wetenschappers anticiperen op toepassingen van het nieuwe materiaal in duurzame alkali-ionbatterijen.

Op deze manier, Junseong Song en collega's voerden rigoureuze experimentele en theoretische studies uit om de creatie van 2-D gelaagde Zintl-fasen aan te tonen door de structurele dimensionaliteit te manipuleren. De nieuwe methode is een primeur om de tweedimensionale polymorfe familie vast te stellen in Zintl-fasen bij omgevingsdruk, to allow new phase transformations as a general route of synthesis. This work provides a rational design strategy to explore new 2-D layered materials and unlock further properties of interest within materials, such as 2-D magnetism, ferroelectricity, thermoelectricity and topological states for further applications.

© 2019 Wetenschap X Netwerk