MXene, som utvecklades 2011, är ett tvådimensionellt nanomaterial med alternerande metall- och kolskikt, som har hög elektrisk ledningsförmåga och kan kombineras med olika metallföreningar, vilket gör det till ett material som kan användas i olika industrier såsom halvledare, elektroniska enheter, och sensorer.

För att använda MXene korrekt är det viktigt att känna till typen och mängden molekyler som täcks på ytan, och om molekylerna som täcks på ytan är fluor minskar den elektriska ledningsförmågan och effektiviteten av elektromagnetisk vågskärmning minskar. Men eftersom den bara är 1 nm tjock tar det flera dagar att analysera molekylerna på ytan även med ett högpresterande elektronmikroskop, så massproduktion har varit omöjlig fram till nu.

Forskargruppen ledd av Seung-Cheol Lee, chef för Indo-Korea Science and Technology Center (IKST) vid Korea Institute of Science and Technology (KIST), har utvecklat en metod för att förutsäga fördelningen av molekyler på ytan med hjälp av magnetresistensegenskap hos MXene. Uppsatsen är publicerad i tidskriften Nanoscale .

Genom att använda denna metod är det möjligt att mäta den molekylära fördelningen av MXene med en enkel mätning, vilket möjliggör kvalitetskontroll i produktionsprocessen, vilket förväntas öppna vägen till massproduktion som tidigare inte var möjlig.

Forskargruppen utvecklade ett tvådimensionellt program för förutsägelse av materialegenskaper baserat på idén att elektrisk ledningsförmåga eller magnetiska egenskaper förändras beroende på molekylerna fästa vid ytan. De beräknade de magnetiska transportegenskaperna hos MXene och lyckades analysera typen och mängden molekyler som adsorberades på ytan av MXene vid atmosfärstryck och rumstemperatur utan några ytterligare enheter.

Genom att analysera ytan på MXene med det utvecklade egenskapsförutsägelseprogrammet förutspåddes det att Hall-spridningsfaktorn, som påverkar magnetisk transport, förändras dramatiskt beroende på typen av ytmolekyler.

Hall-spridningsfaktorn är en fysikalisk konstant som beskriver de laddningsbärande egenskaperna hos halvledarmaterial, och teamet fann att även när samma MXene bereddes hade Hall-spridningsfaktorn ett värde på 2,49, det högsta för fluor, 0,5 för syre och 1 för hydroxid, vilket gör att de kan analysera fördelningen av molekylerna.

Hall-spridningskoefficienten har olika tillämpningar baserat på värdet 1. Om värdet är lägre än 1 kan det tillämpas på högpresterande transistorer, högfrekvensgeneratorer, högeffektiva sensorer och fotodetektorer, och om värdet är högre än 1 kan den appliceras på termoelektriska material och magnetiska sensorer. Med tanke på att storleken på MXene är några nanometer eller mindre, kan storleken på den tillämpliga enheten och mängden ström som krävs minskas dramatiskt.

"Till skillnad från tidigare studier som fokuserade på produktionen och egenskaperna hos ren MXene, är den här studien betydelsefull genom att den ger en ny metod för ytmolekylär analys för att enkelt klassificera tillverkad MXene", säger Seung-Cheol Lee, chef för IKIST. "Genom att kombinera detta resultat med experimentella studier förväntar vi oss att kunna kontrollera produktionsprocessen av MXene, som kommer att användas för att massproducera MXene med enhetlig kvalitet."

IKST grundades 2010 och bedriver forskning inom områdena teori, källkod och programvara för beräkningsvetenskap. I synnerhet är källkoden ett programmeringsspråk som implementerar algoritmer som kan modelleras och simuleras, och anses vara en originalforskning inom området beräkningsvetenskap, och centret bedriver forskningssamarbete med indiska universitet och forskningsinstitut som IIT Bombay för att utveckla källkod.

Mer information: Namitha Anna Koshi et al, Kan magnetotransportegenskaper ge insikt i de funktionella grupperna i halvledande MXener?, Nanoskala (2023). DOI:10.1039/D2NR06409J

Journalinformation: Nanoskala

Tillhandahålls av National Research Council of Science &Technology