Gula isoytor på vänster panel indikerar elektroner lokaliserade mellan C3-trimererna. Den joniserade strukturen till höger har inga fångade elektroner, och några av M-atomerna har till stor del förskjutits. Denna förskjutning av M-atomerna stabiliserar återigen signifikant den joniserade strukturen. Kredit:Soungmin Bae och Hannes Raebiger
En explorativ undersökning av beteendet hos material med önskvärda elektriska egenskaper har resulterat i upptäckten av en strukturell fas av tvådimensionella (2D) material. Den nya materialfamiljen är elektrider, varvid elektroner upptar ett utrymme som vanligtvis är reserverat för atomer eller joner istället för att kretsa kring en atoms eller jons kärna. Stallet, låg energi, avstämbara material kan ha potentiella tillämpningar inom nanoteknik.
Det internationella forskarteamet, ledd av Hannes Raebiger, docent vid institutionen för fysik vid Yokohama National University i Japan, publicerade sina resultat den 10 juni som frontispice i Avancerade funktionella material .
Initialt, teamet satte sig för att bättre förstå de grundläggande egenskaperna hos ett 2D-system känt som Sc 2 CO 2 . Innehåller två atomer av metalliskt skandium, en kolatom och två syreatomer, systemet tillhör en familj av kemiska föreningar som kollektivt kallas MXenes. De är vanligtvis sammansatta av ett kol- eller kväveskikt en atomtjockt inklämt mellan metallskikt, prickade med syre- eller fluoratomer.
Forskarna var särskilt intresserade av MXene Sc 2 CO 2 på grund av förutsägelserna att när den är strukturerad i en hexagonal fas, systemet skulle ha önskade elektriska egenskaper.
"Trots dessa fascinerande förutsägelser om hexagonala faser av Sc 2 CO 2 , vi är inte medvetna om dess framgångsrika tillverkning än, " sa Soungmin Bae, första författare och forskare vid institutionen för fysik vid Yokohama National University. "Analysera dess grundläggande egenskaper, vi upptäckte en helt ny strukturell fas."
Den nya strukturfasen resulterar i nya elektridmaterial. Den atomtunna 2D-strukturfasen beskrivs som kaklade former som bildar det centrala kolplanet. Den tidigare förutsagda formen var en hexagon, med en kolatom vid varje vertex och en i mitten. De nya materialen har en rombliknande form, med elektroner vid hörnen och en koltrimer – tre kolatomer i rad – i mitten.
"Kol är ett av de vanligaste materialen på vår planet, och ganska viktigt för levande varelser, men det finns nästan aldrig som trimerer, "Sade Raebiger. "Den närmaste platsen där koltrimerer vanligtvis finns är det interstellära rymden."
Den övergripande formen är mindre symmetrisk än den tidigare beskrivna hexagonala strukturen, men den är mer symmetrisk med avseende på mittplanet. Denna struktur erbjuder unika egenskaper på grund av utseendet på den nya familjen av elektrider, enligt Raebiger.
"Elektrider innehåller elektroner som en strukturell enhet och är ofta extremt bra elektriska ledare, " sa Raebiger. "Den nuvarande familjen av elektrider är isolatorer, och medan de flesta isolatorer kan göras ledande genom att lägga till eller ta bort elektroner, dessa material blir helt enkelt mer isolerande."
MXenes är särskilt attraktiva som material, eftersom de kan omkonfigureras med andra metalliska element för att erbjuda ett ymnighetshorn av egenskaper, inklusive avstämbar konduktivitet, olika former av magnetism, och/eller påskynda kemiska reaktioner som katalysatorer. Dessutom, de är ultratunna ark som bara är några få atomer tjocka, det är, 2D-material. De nyupptäckta elektroderna har elektroner i gitterhålrum mellan atomer och joner, som lätt kan sändas ut i omgivande utrymme, såsom elektronkällorna för stora partikelacceleratorer, samt lånas för att katalysera en specifikt önskad kemisk reaktion.
"Vi gjorde den här upptäckten för att vi ville förstå hur dessa material fungerar bättre, " sa Bae. "Om du stöter på något du inte förstår, gräv djupare."
Medförfattare inkluderar William Espinosa-García och Gustavo M. Dalpian, Centro de Ciências Naturais e Humanas, Universidade Federal do ABC, Brasilien; Yoon-Gu Kang och Myung Joon Han, Institutionen för fysik, Korea Advanced Institute of Science and Technology; Juho Lee och Yong-Hoon Kim, Institutionen för elektroteknik, Korea Advanced Institute of Science and Technology; Noriyuki Egawa, Kazuaki Kuwahata och Kaoru Ohno, Institutionen för fysik vid Yokohama National University; och Mohammad Khazaei och Hideo Hosono, Materialforskningscentrum för elementstrategi, Tokyo Institute of Technology. Espinosa-García är också ansluten till Grupo de investigación en Modelamienot y Simulación Computacional, Facultad de Ingenierías, Universidad de San Buenaventura-Medellín.
