В статье, недавно опубликованной в Природные нанотехнологии Исследователи из Инженерного колледжа Drexel и Варшавского технологического института Польши и Института микроэлектроники и фотоники сообщили о новом способе изучения атомов, из которых состоят MXenes, и их материалов-предшественников, MAX-фаз, с использованием метода, называемого масс-спектрометрией вторичных ионов. При этом группа обнаружила атомы в местах, где их не ожидали, и несовершенства в двумерных материалах, которые могли бы объяснить некоторые из их уникальных физических свойств. Они также продемонстрировали существование совершенно нового подсемейства мхенов, называемых оксикарбидами, которые представляют собой двумерные материалы, в которых до 30% атомов углерода заменено кислородом.

Это открытие позволит исследователям создавать новые мхены и другие наноматериалы с настраиваемыми свойствами, наилучшим образом подходящие для конкретных применений: от антенн для беспроводной связи 5G и 6G и экранов для электромагнитных помех; до фильтров для производства, хранения и разделения водорода; до носимых почек для пациентов, находящихся на диализе.

"Лучшее понимание детальной структуры и состава двумерных материалов позволит нам полностью раскрыть их потенциал", - сказал Юрий Гогоци, доктор философии, заслуженный университет и профессор Баха в колледже, который руководил исследованием характеристик MXene. "Теперь у нас есть более четкое представление о том, почему MXenes ведут себя именно так, и мы сможем адаптировать их структуру и, следовательно, поведение для важных новых приложений".

Масс-спектрометрия вторичных ионов (SIMS) - широко используемый метод для изучения твердых поверхностей и тонких пленок и того, как их химический состав меняется с глубиной. Он работает, направляя пучок заряженных частиц на образец, который бомбардирует атомы на поверхности материала и выбрасывает их - процесс, называемый распылением. Выброшенные ионы обнаруживаются, собираются и идентифицируются на основе их массы и служат индикаторами состава материала.

В то время как SIMS использовался для изучения многослойных материалов на протяжении многих лет, разрешение по глубине было ограничено изучением поверхности материала (несколько ангстрем). Команда, возглавляемая Павлом Михаловским, доктором философии, из Польского института микроэлектроники и фотоники, внесла ряд улучшений в методику, включая регулировку угла и энергии луча, способ измерения выброшенных ионов и очистку поверхности образцов, что позволило им распылять образцы слой за слоем. слой. Это позволило исследователям просмотреть образец с разрешением на уровне атома, которое ранее было невозможно.

"Наиболее близким методом для анализа тонких слоев и поверхностей MXene является рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия, которую мы используем в Drexel с момента открытия первого MXene", - сказал Марк Анайи, докторант в группе Гогоци. "В то время как XPS позволил нам взглянуть только на поверхность материалов, SIMS позволяет нам анализировать слои под поверхностью. Это позволяет нам "удалять" точно по одному слою атомов за раз, не беспокоя те, что находятся под ним. Это может дать нам гораздо более четкую картину, которая была бы невозможна при использовании любого другого лабораторного метода".

По мере того как команда снимала верхний слой атомов, подобно археологу, осторожно раскапывающему новую находку, исследователи начали видеть тонкие особенности химического каркаса внутри слоев материалов, обнаруживая неожиданное присутствие и расположение атомов, а также различные дефекты и несовершенства.

"Мы продемонстрировали образование кислородсодержащих мхенов, так называемых оксикарбидов. Это представляет собой новое подсемейство MXenes - что является большим открытием!" - сказал Гогоци. "Наши результаты показывают, что для каждого карбидного МХена существует оксикарбидный мхен, где кислород заменяет некоторые атомы углерода в структуре решетки".

Поскольку MAX и MXenes представляют собой большое семейство материалов, исследователи дополнительно исследовали более сложные системы, включающие множество металлических элементов. Они сделали несколько новаторских наблюдений, в том числе смешение атомов в МХене из карбида хрома и титана, которые ранее считались разделенными на отдельные слои. И они подтвердили предыдущие результаты, такие как полное разделение атомов молибдена на внешние слои и атомов титана на внутренний слой в карбиде молибден-титан.

По словам Гогоци, все эти результаты важны для разработки МХенов с точно настроенной структурой и улучшенными свойствами.

"Теперь мы можем контролировать не только общий элементный состав МХенов, но и знать, в каких атомных слоях расположены конкретные элементы, такие как углерод, кислород или металлы", - сказал Гогоци. "Мы знаем, что устранение кислорода помогает повысить экологическую стабильность MXene из карбида титана и увеличить его электронную проводимость. Теперь, когда мы лучше понимаем, сколько дополнительного кислорода содержится в материалах, мы можем, так сказать, скорректировать рецептуру для получения мхенов, в которых его нет, и, как следствие, более стабильных в окружающей среде ".

Команда также планирует изучить способы разделения слоев хрома и титана, что поможет ей разработать мхены с привлекательными магнитными свойствами. И теперь, когда технология SIMS доказала свою эффективность, Гогоци планирует использовать ее в будущих исследованиях, в том числе в своей недавней работе, финансируемой Министерством энергетики США за 3 миллиона долларов, по изучению МХенов для хранения водорода - важный шаг на пути к разработке нового устойчивого источника энергии.

"Во многих отношениях изучение миксенов в течение последнего десятилетия было нанесением на карту неизведанной территории", - сказал Гогоци. "Благодаря этому новому подходу у нас есть лучшие рекомендации о том, где искать новые материалы и области применения".