新技术使研究人员能够刮到纳米材料表面之外

在最近发表在NatureNanotechnology上的一篇论文中，来自德雷克塞尔工程学院和波兰华沙理工学院以及微电子与光子学研究所的研究人员报告了一种新的方法来观察构成MXenes及其前体材料MAX相的原子，使用称为二次离子质谱的技术。在这样做的过程中，该小组在出乎意料的位置发现了原子，并且二维材料中的缺陷可以解释它们的一些独特物理特性。他们还证明了存在一个全新的MXene亚族，称为碳氧化物，它是一种二维材料，其中高达30%的碳原子被氧取代。

这一发现将使研究人员能够构建新的MXenes和其他具有可调特性的纳米材料，这些材料最适合用于5G和6G无线通信的天线和电磁干扰屏蔽层等特定应用;用于制氢、储存和分离的过滤器;用于透析患者的可穿戴肾脏。

“更好地了解二维材料的详细结构和成分将使我们能够释放它们的全部潜力，”领导MXene表征研究的杰出大学和学院巴赫教授YuryGogotsi博士说。“我们现在对MXenes的行为方式有了更清晰的了解，并且能够为重要的新应用定制其结构和行为。”

二次离子质谱(SIMS)是研究固体表面和薄膜以及它们的化学性质如何随深度变化的常用技术。它的工作原理是向样品发射一束带电粒子，轰击材料表面的原子并将它们喷射出去——这一过程称为溅射。喷射的离子根据它们的质量进行检测、收集和识别，并作为材料成分的指标。

虽然SIMS多年来一直用于研究多层材料，但深度分辨率在检查材料表面(几埃)时受到限制。由波兰微电子和光子学研究所的PawelMichalowski博士领导的一个团队对该技术进行了许多改进，包括调整光束的角度和能量，如何测量喷射的离子;并清洁样品表面，使他们能够逐层溅射样品。这使研究人员能够以以前不可能的原子级分辨率查看样本。

“最接近MXene薄层和表面分析的技术是X射线光电子能谱，从发现第一个MXene开始，我们就一直在Drexel使用它，”Gogotsi小组的博士生MarkAnayee说。“虽然XPS只让我们看到了材料的表面，但SIMS让我们可以分析表面之下的层。它允许我们一次精确地‘去除’一层原子，而不会干扰它下面的原子。这可以给我们获得了更清晰的画面，这是任何其他实验室技术都无法实现的。”

随着团队剥离上层原子，就像考古学家仔细挖掘新发现一样，研究人员开始看到材料层内化学支架的微妙特征，揭示了原子的意外存在和定位，以及各种缺陷和缺陷。

“我们展示了含氧MXenes的形成，即所谓的碳氧化物。这代表了一个新的MXenes亚家族——这是一个重大发现!”戈戈齐说。“我们的结果表明，对于每个碳化物MXene，都有一个碳氧化物MXene，其中氧取代了晶格结构中的一些碳原子。”

由于MAX和MXenes代表了一大类材料，研究人员进一步探索了包含多种金属元素的更复杂的系统。他们进行了几项开创性的观察，包括铬-碳化钛MXene中原子的混合——以前认为这些原子被分成不同的层。他们证实了之前的发现，例如在钼-碳化钛中钼原子完全分离到外层，钛原子完全分离到内层。

Gogotsi表示，所有这些发现对于开发具有微调结构和改进性能的MXenes非常重要。

“我们现在不仅可以控制MXenes的总元素组成，还可以知道碳、氧或金属等特定元素位于哪些原子层中，”Gogotsi说。“我们知道，消除氧气有助于提高碳化钛MXene的环境稳定性并提高其电子导电性。现在我们对材料中的额外氧气含量有了更好的了解，我们可以调整配方——可以这么说——-生产没有它的MXene，因此在环境中更稳定。”

该团队还计划探索分离铬和钛层的方法，这将有助于开发具有吸引人的磁性的MXene。既然SIMS技术已被证明是有效的，Gogotsi计划在未来的研究中使用它，包括他最近在能源部资助的300万美元用于探索MXenes用于储氢的努力——这是朝着开发一种新的可持续能源。

“在许多方面，过去十年研究MXenes一直在绘制未知领域，”Gogotsi说。“通过这种新方法，我们可以更好地指导在哪里寻找新材料和应用。”