▲單層二維過渡金屬碳化物（MXene）在被加熱後，其兩個表面的官能團均被移除。鈦原子和碳原子遷移到表面，形成孔洞和新結構。
《自然通訊》（Nature Communications）雜誌近日載文稱，美國能源部橡樹嶺國家實驗室(簡稱ORNL)的科學家們誘導了一種二維材料的自發生長，從而形成原子“構築塊”。這為設計用於快充設備等的二維材料提供了新思路。ORNL的研究人員桑夏涵（音譯）說：“在我們的實驗條件下，鈦原子和碳原子首次自發形成了原子級的二維過渡金屬碳化物（MXene）薄層。”
使用先進的掃描透射電鏡（STEM），並結合理論模擬，桑和雷蒙德·烏諾奇（音譯）領導的研究團隊揭示了鈦-碳化合物形成機制的原子細節。烏諾奇說：“這項研究旨在確定鈦-碳化合物在原子水平上的形成機制和動力學，這可為構築MXene新結構找到新思路。”
實驗原材料是一種由德雷克塞爾大學（簡稱DU）合成的2D陶瓷材料（二碳化三鈦），二碳化三鈦也是一種MXene材料。與大多數陶瓷材料不同，這種2D陶瓷材料的導電性非常好：其結構中包含交替的碳（氮）原子層，夾層則為過渡金屬原子（如鈦原子）。首先，ORNL的科學家們將一個大型二碳化三鈦薄片懸於含鑽孔的加熱芯片上，以排除支撐材料或基體對薄片的干擾。然後在真空條件下，研究人員對薄片施加高溫，並用電子束清潔其表面，以及充分暴露鈦原子層。
由於二碳化三鈦的表面覆蓋有保護性官能團（氧、氫和氟等），因此是典型的惰性物質。在移除保護基團後，剩餘物質會被激活。原子尺度的缺陷，即蝕刻過程中去除鈦原子時產生的‘空位’，將暴露在單層的外層。桑說：“這些原子空位是良好的起始位點，它們有利於鈦和碳從缺陷部位轉移到表面。在有缺陷的區域，原子遷移時可能就會形成孔洞。在保護基團消失後，剩下的是裸露的鈦層（下面是交替的碳、鈦），它們可以在現有結構的基礎上自由重建和形成新結構。”高分辨率STEM成像結果顯示，鈦-碳材料是以自發形式構築的。賓夕法尼亞大學（簡稱PSU）的阿德里安·範·杜因（音譯）說：“這種生長機制完全符合密度泛函理論和反應分子動力學模擬結果。這將為以後確定合成含特定缺陷結構所需的實驗參數提供借鑑。” 大多數情況下，一個表面上只會生長一層碳和鈦。但隨著原子層的增加，材料會發生改變，如二碳化三鈦會變成三碳化四鈦。
烏諾奇表示，鈦-碳材料在離子傳輸方面非常高效，在超級電容器和電池等設備的製造中體現了巨大的應用潛力。DU的尤里·格格茨補充說：“與鈦類比，含鉬、鈮、釩、鉭等金屬的MXene材料也有可能形成含3個以上金屬原子的新結構。這些新結構有望成為推動納米技術發展的新型2D構築塊。”
編譯：雷鑫宇
審稿：阿淼
來源：http://h5.scimall.net.cn/register?from=wechat
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