Onderzoekers hebben lang gezocht naar elektrisch geleidende materialen voor zuinige apparaten voor energieopslag. Tweedimensionale (2-D) keramiek genaamd MXenes zijn kanshebbers. In tegenstelling tot de meeste 2D-keramiek, MXenen hebben een inherent goede geleidbaarheid omdat het moleculaire platen zijn die zijn gemaakt van de carbiden en nitriden van overgangsmetalen zoals titanium.

MXenes werden mede ontdekt door Michael Naguib, nu een Wigner Fellow bij het Oak Ridge National Laboratory van het Department of Energy, terwijl hij in 2011 promoveerde aan de Drexel University. MXene-lagen kunnen worden gecombineerd om ultradunne elektronica te ontwikkelen, sensoren, batterijen, supercondensatoren en katalysatoren. Er zijn sindsdien ongeveer 20 MXenen gemeld.

Onlangs, ORNL-wetenschappers gebruiken de modernste scanning transmissie-elektronenmicroscopie, of STEM, leverde het eerste directe bewijs van de atoomdefectconfiguraties in een titaniumcarbide MXene gesynthetiseerd aan de Drexel University. Gepubliceerd in ACS Nano , een tijdschrift van de American Chemical Society, de studie koppelde karakterisering op atomaire schaal en metingen van elektrische eigenschappen aan op theorie gebaseerde simulatie.

"Met behulp van atomaire resolutie scanning transmissie-elektronenmicroscopie beeldvorming, we hebben defecten en defectclusters in MXene gevisualiseerd die erg belangrijk zijn voor toekomstige nano-elektronische apparaten en katalytische toepassingen, " zei hoofdauteur Xiahan Sang van het Center for Nanophase Materials Sciences (CNMS), een DOE Office of Science User Facility bij ORNL.

"Defecten op atoomniveau kunnen in materialen worden verwerkt om nieuwe functionaliteiten mogelijk te maken, "zei senior auteur Raymond Unocic van CNMS. "Het begrijpen van deze gebreken is van cruciaal belang voor het bevorderen van materialen."

Atomaire beeldvorming vanuit verschillende perspectieven was de sleutel tot het onthullen van de structuur van MXene. Wanneer het monster is uitgelijnd met de elektronenstraal in een STEM-instrument, de kijker kan niet zien hoeveel vellen er onder de bovenste laag liggen. Maar kantel het monster gewoon, en verschillen worden snel zichtbaar. Bijvoorbeeld, een meerlaagse laag is gemaakt van gestapelde atomen, een structuur die een wazig beeld vormt wanneer de laag wordt gekanteld. Het verschijnen van scherpe atomaire beelden onder verschillende kantelomstandigheden bewees ondubbelzinnig de enkellaagse structuur van de MXene.

Eenvoudige massaproductie van een goede 2D-geleider

MXenen zijn gemaakt van een driedimensionaal (3-D) bulkkristal genaamd MAX (de "M" staat voor een overgangsmetaal; "A, " een element, zoals aluminium of silicium, uit een specifieke chemische groep; en "X, " ofwel koolstof of stikstof). In het MAX-rooster waaruit de in deze studie onderzochte MXene naar voren kwam, drie lagen titaniumcarbide zijn ingeklemd tussen aluminiumlagen.

De Drexel-onderzoekers verbeterden een techniek die in 2011 is ontwikkeld en in 2014 is gewijzigd om MXene uit de bulk MAX-fase te synthetiseren met behulp van zuren. De verbeterde methode wordt minimaal intensieve laagdelaminatie genoemd, of MILD. "Door met MILD te gaan, we eindigden met grote vlokken van hoogwaardige MXene, " zei Mohamed Alhabeb, een promovendus in materiaalkunde aan de Drexel University, die deze prestatie samen met een andere promovendus volbracht, Catherine van Aken, onder leiding van een van de mede-ontdekkers van MXenes, Distinguished University Professor en directeur van de A.J. Drexel Nanomaterialen Instituut Yury Gogotsi.

Om vrijstaande MXene-vlokken te synthetiseren, het Drexel-team behandelde bulk MAX eerst met een etsmiddel van fluoridezout en zoutzuur om selectief ongewenste aluminiumlagen tussen titaniumcarbidelagen te verwijderen. Vervolgens schudden ze het geëtste materiaal handmatig om de titaniumcarbidelagen te scheiden en te verzamelen. Elke laag is vijf atomen dik en is gemaakt van koolstofatomen die drie titaniumplaten binden. Etsen en exfoliëren MAX produceert veel van deze vrijstaande MXene-lagen. Deze relatief eenvoudige techniek kan productie op fabricageschaal mogelijk maken.

Etsen creëert defecten - lege ruimtes die ontstaan ​​als titaniumatomen van oppervlakken worden getrokken. "Defecten" zijn eigenlijk goed in veel toepassingen van materialen. Ze kunnen in een materiaal worden geïntroduceerd en worden gemanipuleerd om de bruikbare katalytische, optische of elektronische eigenschappen.

Hoe groter de concentratie etsmiddel, hoe groter het aantal gecreëerde defecten, de studie gevonden. "We hebben de mogelijkheid om de defectconcentratie af te stemmen, die kunnen worden gebruikt om fysisch-chemische eigenschappen aan te passen voor apparaten voor energieopslag en -conversie, ' zei Sang.

Bovendien, het aantal defecten had geen grote invloed op de elektrische geleidbaarheid van MXene. Bij CNMS, Ming-Wei Lin en Kai Xiao hebben fysieke eigenschappen gemeten, inclusief elektrische geleidbaarheid, van verschillende veelbelovende 2D-materialen. Ze ontdekten dat MXeen een orde van grootte minder geleidend was dan een perfecte grafeenplaat, maar twee ordes van grootte meer geleidend dan metallisch molybdeendisulfide.

Met behulp van modellering en simulatie, Paul Kent en Yu Xie van ORNL berekenden de energie die nodig was om atomaire configuraties van defecten te creëren waarvan de STEM van Sang aantoonde dat ze veel voorkomen.

Vervolgens zijn de onderzoekers van plan om defecten af ​​​​te stemmen op atomair niveau om specifiek gedrag aan te passen.