Forskare har länge sökt elektriskt ledande material för ekonomiska energilagringsenheter. Tvådimensionell (2D) keramik som kallas MXener är utmanare. Till skillnad från de flesta 2D-keramik, MXener har i sig god ledningsförmåga eftersom de är molekylära ark gjorda av karbider och nitrider av övergångsmetaller som titan.

MXenes medupptäcktes av Michael Naguib, nu Wigner Fellow vid Department of Energy's Oak Ridge National Laboratory, medan han fortsatte sin doktorsexamen vid Drexel University 2011. MXene-lager kan kombineras för att konstruera ultratunn elektronik, sensorer, batterier, superkondensatorer och katalysatorer. Omkring 20 MXener har sedan dess rapporterats.

Nyligen, ORNL-forskare som använder den senaste scanningstransmissionselektronmikroskopi, eller STEM, gav det första direkta beviset på atomdefektkonfigurationerna i en titankarbid MXene syntetiserad vid Drexel University. Publicerad i ACS Nano , en tidskrift från American Chemical Society, studien kopplade karakterisering i atomskala och mätningar av elektriska egenskaper med teoribaserad simulering.

"Med atomupplösning skanningstransmissionselektronmikroskopi, vi visualiserade defekter och defektkluster i MXene som är mycket viktiga för framtida nanoelektroniska enheter och katalytiska applikationer, " sa huvudförfattaren Xiahan Sang från Center for Nanophase Materials Sciences (CNMS), en DOE Office of Science User Facility på ORNL.

"Defekter på atomnivå kan konstrueras till material för att möjliggöra nya funktioner, ", sade seniorförfattaren Raymond Unocic från CNMS. "Att förstå dessa defekter är avgörande för att utveckla material."

Atomavbildning från olika perspektiv var nyckeln till att avslöja MXenes struktur. När provet är inriktat med elektronstrålen i ett STEM-instrument, tittaren kan inte se hur många ark som ligger under det översta lagret. Men luta bara provet, och skillnader uppstår lätt. Till exempel, ett flerskiktsskikt är gjort av staplade atomer, en struktur som bildar en suddig bild när lagret lutar. Utseendet på skarpa atombilder under olika lutningsförhållanden bevisade otvetydigt enkelskiktsstrukturen hos MXene.

Enkel massproduktion av en bra 2D-ledare

MXenes är gjorda av en tredimensionell (3-D) bulkkristall som kallas MAX ("M" betecknar en övergångsmetall; "A, " ett element, såsom aluminium eller kisel, från en specifik kemisk grupp; och "X, " antingen kol eller kväve). I MAX-gittret från vilket MXenen som utforskades i denna studie dök upp, tre lager av titankarbid är inklämda mellan aluminiumlager.

Drexel-forskarna förbättrade en teknik som utvecklades 2011 och ändrades 2014 för att syntetisera MXene från bulk-MAX-fasen med hjälp av syror. Den förbättrade metoden kallas minimalt intensiv lagerdelaminering, eller MILD. "Genom att gå med MILD, vi slutade med stora flingor av högkvalitativ MXene, sade Mohamed Alhabeb, en doktorand i materialvetenskap vid Drexel University, som åstadkom denna bedrift med en annan doktorand, Katherine Van Aken, under ledning av en av medupptäckarna av MXenes, Erkänd universitetsprofessor och direktör för A.J. Drexel Nanomaterials Institute Yury Gogotsi.

För att syntetisera fristående MXene-flingor, Drexel-teamet behandlade först bulk MAX med ett etsmedel av fluorsalt och saltsyra för att selektivt ta bort oönskade skikt av aluminium mellan titankarbidskikten. Sedan skakade de manuellt det etsade materialet för att separera och samla upp titankarbidskikten. Varje lager är fem atomer tjockt och är gjord av kolatomer som binder tre titanskivor. Etsning och exfoliering MAX producerar många av dessa fristående MXene-lager. Denna relativt enkla teknik kan möjliggöra tillverkning i tillverkningsskala.

Etsning skapar defekter - lediga utrymmen som dyker upp när titanatomer dras från ytor. "Defekter" är faktiskt bra i många applikationer av material. De kan införas i ett material och manipuleras för att förbättra dess användbara katalytiska, optiska eller elektroniska egenskaper.

Ju högre koncentration av etsmedel, ju större antal defekter som skapas, studien fann. "Vi har förmågan att justera defektkoncentrationen, som skulle kunna användas för att skräddarsy fysikalisk-kemiska egenskaper för energilagrings- och omvandlingsanordningar, " sa Sang.

Dessutom, antalet defekter påverkade inte MXenes elektriska ledningsförmåga starkt. På CNMS, Ming-Wei Lin och Kai Xiao mätte fysikaliska egenskaper, inklusive elektrisk ledningsförmåga, av olika lovande 2D-material. De fann att MXene var en storleksordning mindre ledande än ett perfekt grafenark men två storleksordningar mer ledande än metallisk molybdendisulfid.

Med hjälp av modellering och simulering, ORNL:s Paul Kent och Yu Xie beräknade energin som behövs för att skapa atomära konfigurationer av defekter som Sangs STEM visade var utbredda.

Därefter planerar forskarna att justera defekter ner till atomnivå för att skräddarsy specifika beteenden.