Forskare vid Department of Energy's Oak Ridge National Laboratory inducerade ett tvådimensionellt material för att kannibalisera sig själv för atomära "byggstenar" från vilka stabila strukturer bildades.

Resultaten, redovisas i Naturkommunikation , ge insikter som kan förbättra designen av 2D-material för snabbladdning av energilagring och elektroniska enheter.

"Under våra experimentella förhållanden, titan- och kolatomer kan spontant bilda ett atomärt tunt lager av 2-D övergångsmetallkarbid, som aldrig tidigare observerats, " sa Xiahan Sang från ORNL.

Han och ORNL:s Raymond Unocic ledde ett team som utförde in situ-experiment med hjälp av den senaste scanningstransmissionselektronmikroskopi (STEM), kombinerat med teoribaserade simuleringar, för att avslöja mekanismens atomistiska detaljer.

"Denna studie handlar om att bestämma mekanismerna och kinetiken på atomnivå som är ansvariga för att bilda nya strukturer av en 2-D övergångsmetallkarbid så att nya syntesmetoder kan realiseras för denna klass av material, " tillade Unocic.

Utgångsmaterialet var en 2D-keramik som kallas MXene (uttalas "max een"). Till skillnad från de flesta keramik, MXener är bra elektriska ledare eftersom de är gjorda av alternerande atomlager av kol eller kväve inklämda i övergångsmetaller som titan.

Forskningen var ett projekt av Fluid Interface Reactions, Structures and Transport (FIRST) Center, ett DOE Energy Frontier Research Center som utforskar vätske-fasta gränssnittsreaktioner som har konsekvenser för energitransport i vardagliga tillämpningar. Forskare genomförde experiment för att syntetisera och karakterisera avancerade material och utförde teori- och simuleringsarbete för att förklara observerade strukturella och funktionella egenskaper hos materialen. Ny kunskap från FIRST projects ger vägledning för framtida studier.

Det högkvalitativa materialet som användes i dessa experiment syntetiserades av forskare från Drexel University, i form av femskiktiga enkristall-enkelskiktsflingor av MXene. Flingorna togs från en moderkristall som heter "MAX, " som innehåller en övergångsmetall betecknad med "M"; ett element som aluminium eller kisel, betecknas med "A"; och antingen en kol- eller kväveatom, betecknas med "X". Forskarna använde en sur lösning för att etsa ut de monoatomiska aluminiumskikten, exfoliera materialet och delaminera det till individuella monolager av en titankarbid MXene (Ti3C2).

ORNL-forskarna hängde upp en stor MXene-flinga på ett värmechip med hål borrade i det så inget stödmaterial, eller substrat, störde flingan. Under vakuum, den suspenderade flingan exponerades för värme och bestrålades med en elektronstråle för att rengöra MXene-ytan och helt exponera lagret av titanatomer.

MXener är vanligtvis inerta eftersom deras ytor är täckta med skyddande funktionella grupper - syre, väte- och fluoratomer som finns kvar efter sur exfoliering. Efter att skyddsgrupper har tagits bort, det återstående materialet aktiveras. Atomskaliga defekter - "vakanser" som skapas när titanatomer avlägsnas under etsning - exponeras på det yttre lagret av monoskiktet. "Dessa atomära vakanser är bra initieringsplatser, " sa Sang. "Det är gynnsamt för titan- och kolatomer att flytta från defekta platser till ytan." I ett område med en defekt, en por kan bildas när atomer migrerar.

"När de funktionella grupperna är borta, nu har du ett bart titanlager (och under, alternerande kol, titan, kol, titan) som är gratis att rekonstruera och forma nya strukturer ovanpå befintliga strukturer, " sa Sang.

Högupplöst STEM-avbildning visade att atomer flyttade från en del av materialet till en annan för att bygga strukturer. Eftersom materialet livnär sig på sig självt, tillväxtmekanismen är kannibalistisk.

"Tillväxtmekanismen stöds helt av densitetsfunktionella teorin och simuleringar av reaktiv molekylär dynamik, vilket öppnar upp framtida möjligheter att använda dessa teoriverktyg för att bestämma de experimentella parametrar som krävs för att syntetisera specifika defektstrukturer, " sa Adri van Duin från Penn State.

För det mesta, endast ett ytterligare lager [av kol och titan] växte på en yta. Materialet förändrades när atomer byggde nya lager. Ti3C2 förvandlades till Ti4C3, till exempel.

"Dessa material är effektiva vid jontransport, som lämpar sig väl för batteri- och superkondensatorapplikationer, Unocic sa. "Hur förändras jontransporten när vi lägger till fler lager till nanometertunna MXene-ark?" Denna fråga kan stimulera framtida studier.

"Eftersom MXener innehåller molybden, niob, vanadin, tantal, hafnium, krom och andra metaller är tillgängliga, det finns möjligheter att göra en mängd nya strukturer som innehåller mer än tre eller fyra metallatomer i tvärsnitt (den nuvarande gränsen för MXener producerade från MAX faser), Yury Gogotsi från Drexel University tillade. "Dessa material kan visa olika användbara egenskaper och skapa en rad 2D-byggstenar för att avancera teknik."

Vid ORNL:s Center for Nanophase Materials Sciences (CNMS), Yu Xie, Weiwei Sun och Paul Kent utförde teoriberäkningar med de första principerna för att förklara varför dessa material växte lager för lager istället för att bilda alternativa strukturer, som rutor. Xufan Li och Kai Xiao hjälpte till att förstå tillväxtmekanismen, vilket minimerar ytenergi för att stabilisera atomkonfigurationer. Forskare från Penn State genomförde storskaliga simuleringar av dynamiska reaktiva kraftfält som visade hur atomer arrangerades om på ytor, bekräftar defektstrukturer och deras utveckling som observerats i experiment.

Forskarna hoppas att den nya kunskapen kommer att hjälpa andra att odla avancerade material och generera användbara strukturer i nanoskala.

Titeln på uppsatsen är "In situ atomistisk insikt i tillväxtmekanismerna för enkelskikts 2-D övergångsmetallkarbider."