Upptäckten av nya familjer av tvådimensionella (2-D) skiktade material bortom grafen har alltid väckt stor uppmärksamhet, men det är fortfarande utmanande att artificiellt återskapa bikakens atomgitterstruktur med flera komponenter som hexagonal bornitrid i labbet. I en ny studie nu publicerad på Vetenskapliga framsteg , Junseong Song och kollegor vid institutionerna för energivetenskap, Nanostrukturfysik, Miljövetenskap och materialvetenskap i Republiken Korea utvecklade en aldrig tidigare skådad struktur i Zintl-fasen.

De konstruerade materialet genom att satsa sp ² -hybridiserade bikake-ZnSb-skikt och via dimensionsmanipulation av en kristallstruktur från sp. ³ -hybridiserat 3-D-ZnSb-tillstånd. Materialforskarna kombinerade strukturanalys med teoretiska beräkningar för att bilda en stabil och robust skiktad struktur av 2-D-ZnSb. Detta fenomen med bidimensionell polymorfism har inte tidigare observerats vid omgivande tryck i Zintl-familjer. Därför, det nya arbetet ger en rationell designstrategi för att söka och skapa nya 2-D-skiktade material i olika föreningar. De nya resultaten kommer att tillåta obegränsad expansion av 2D-bibliotek och deras motsvarande fysiska egenskaper.

Tillkomsten av Dirac fysik av grafen utlöste ett explosivt intresse för forskning om tvådimensionella (2-D) material med olika tillämpningar inom elektronik, magnetik, energi och kemi till kvantfysik. För närvarande, 2D-forskning är främst inriktad på ett fåtal 2D-material som innehåller ett eller flera atomlager exfolierade från deras moderföreningar, i motsats till 2-D atomkristaller som silikon. Detta kan begränsa metoden för 2D-materialutveckling till två metoder för exfoliering och kemisk ångavsättning. Det är därför mycket önskvärt att expandera på 2-D materialforskning för att artificiellt skapa ett nytt 2-D material med ett nytt syntetiskt tillvägagångssätt och bilda en mängd olika materialgrupper.

I upptäckten av nya material, transformation av en kristallstruktur är en allmänt erkänd nyckelfaktor. Där temperatur-tryck och elektrostatisk dopning inducerade strukturella fasövergångar är kärnan för att utforska en ny kristallstruktur eller för att byta 2-D materialegenskaper. Till exempel, de flesta dikalkogenider av övergångsmetall uppvisar polymorf fasövergång för att få tillgång till inneboende olika egenskaper inklusive supraledande och topologiska tillstånd. Övergången har lett till lovande applikationer inklusive elektronisk homojunction, fotoniska minnesenheter och katalytiska energimaterial.

Dessa polymorfa övergångar inträffade endast mellan olika skiktade strukturer i samma två dimensioner och återstår att realisera mellan olika dimensioner av en kristallstruktur vid omgivande tryck. Att nå den ultimata kristalltekniken och förändra den strukturella dimensionen av flerkomponentföreningar är en lovande nästa gräns inom materialvetenskap bortom allotroperna av kol.

I det nuvarande arbetet, Song et al. etablerad tvådimensionell polymorfism via upptäckten av 2D-skiktade strukturer i Zintl-faser innehållande ett stort antal kemiska sammansättningar. På grund av sp ² hybrid orbital bindning av bikakestrukturerade 2-D atomära kristaller som grafen och hexagonal bornitrid, forskarna förväntade sig 3D-strukturerade Zintl-faser (med sp ³ hybrid orbital bindning) för att transformera till sp ² honeycomb strukturerade 2-D skiktade material, också, via elektronöverföring. Som ett proof-of-concept, Song et al. valde en 3-D orthorhombic ZnSb (3-D-ZnSb) Zintl-fas och skapade den aldrig tidigare skådade, 2-D skiktad struktur av ZnSb (2-D-ZnSb).

I den nya metoden, Song et al. första syntetiserade skiktade AZnSb (2-D-AZnSb) ternära föreningar; där A avser en alkalimetall såsom Na, Li och K. Materialen innehöll en skiktad struktur av ZnSb genom att transformera 3-D-ZnSb via A-legering, även om faserna kunde syntetiseras oberoende. Song et al. utförde selektiv etsning av A-joner för att skapa 2-D-ZnSb i två olika processer, inklusive (1) kemisk reaktion i avjoniserade vatteninkorporerade lösningar, och (2) elektrokemisk jonetsningsreaktion i alkalibaserad elektrolyt.

Till exempel, de syntetiserade det polykristallina och enkelkristallina 2-D-LiZnSb-mellansubstratet genom att först legera Li till polykristallint 3-D-ZnSb, följt av Li-jonetsning för att bilda en 2-D-ZnSb-kristall. Forskarna rengjorde lätt de Li-etsade 2-D-ZnSb-kristallerna med hjälp av tejpexfoliering som mekanisk klyvning för att uppvisa en typisk plan yta som rapporterats för 2-D-material.

För att förstå effekten av tillverkningsprocessen, de undersökte rollen av Li-legering och etsning på strukturella transformationer med hjälp av röntgenfotoelektronspektroskopi (XPS) mätningar för att avslöja skillnaden mellan 2-D och 3-D kristaller. För att ytterligare validera deras resultat, Song et al. använda röntgendiffraktionsspektroskopi (XRD) mönster, transmissionselektronmikroskopi (TEM) observationer och skanningstunnelering elektronmikroskopi (STEM) kombinerat med energidispersiv spektroskopi (EDS) elementär kartläggning för att bekräfta atomstrukturen för 2-D-ZnSb.

Baserat på resultaten, forskarna tolkade de töjbara mellanlagersavstånden mellan både Zn-Zn- och Sb-Sb-atomer som svaga mellanlagersbindningar och verifierade att 2-D-ZnSb kunde exfolieras som ett skiktat material. Den nyligen utvecklade skiktade strukturen av 2-D-ZnSb i detta arbete, avslutade den första upptäckten av bidimensionell polymorfism i Zintl-faser vid omgivande tryck.

Följaktligen, Song et al. manipulerade sp ³ -hybridiserat bindningstillstånd i 3-D-ZnSb in i sp ² tillstånd i 2-D-ZnSb bikakegitter. Tidigare studier på polymorfa övergångar mellan 3-D och 2-D strukturer i Zintl-faser observerades endast under högt tryck. De föreliggande resultaten om dubbeldimensionell polymorfism mellan 3-D-ZnSb och 2-D-ZnSb betonade potentialen och breda tillgängligheten för en sådan elektronöverföring för att transformera kristallstrukturen.

Song et al. nästa undersökte elektriska transportegenskaper för tvådimensionella ZnSb-polymorfer och 2-D-LiZnSb-kristaller tillsammans med första principberäkningar av deras elektroniska energibandstruktur. I motsats till den halvledande naturen hos 3-D-ZnSb, både 2-D-LiZnSb och 2-D-ZnSb visade metalliskt ledningsbeteende. När de sänkte temperaturen, den elektriska mobiliteten för både 2-D-LiZnSb och 2-D-ZnSb ökade till ett värde högre än 3-D-ZnSb. Forskarna krediterade de observerade förstorade bandbredderna för 2-D-ZnSb till den förbättrade sp ² karaktär av bikakestrukturerade lager med försvagade interskiktsinteraktioner som bildade halvmetallen. De använde teoretiska beräkningar för att bekräfta att 2-D-ZnSb mekaniskt kunde exfolieras till tvåskiktet för att existera i en energiskt stabil form som ett 2-D-material, medan monoskiktet av 2-D-ZnSb var energiskt ogynnsamt.

För att demonstrera strukturell transformation av tvådimensionella ZnSb-polymorfer under 2-D-LiZnSb-bildning, forskarna genomförde synkrotron XRD - under den elektrokemiska reaktionen. De observerade toppar motsvarande Li-legering av 3-D-ZnSb vid ren 2-D-LiZnSb-bildning, följt av slutprodukten av 2-D-ZnSb. Under den elektrokemiska reaktionen, Li-atomerna penetrerade selektivt in i 3-D-ZnSb för att bryta Zn-Sb- och Sb-Sb-bindningarna. På nivån av elektronöverföring, det hybridiserade bindningstillståndet ändrades från sp ³ i 3-D-ZnSb till sp ² i 2-D-LiZnSb för att bilda det rynkade bikakegittret.

Resultatet av Li-legeringsbaserad 2-D-LiZnSb-transformation gav 2-D-ZnSb-produkten, som inte återgick till sin 3D-form. Song et al. visade att en gång bildats, den skiktade 2-D-ZnSb var ett stabilt material med en bikakearkitektur, validering av den stabila bidimensionella polymorfa övergången. Forskarna förutser tillämpningar av det nya materialet i hållbara alkali -jonbatterier.

På det här sättet, Junseong Song och medarbetare utförde rigorösa experimentella och teoretiska studier för att demonstrera skapandet av 2-D skiktade Zintl-faser genom att manipulera den strukturella dimensionen. Den nya metoden är den första för att etablera den tvådimensionella polymorfa familjen i Zintl -faser vid omgivningstryck, 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 Science X Network