Materialwissenschaftler der University of Nebraska-Lincoln erforschen die physikalischen Eigenschaften von MXenes, einer schnell wachsenden Familie zweidimensionaler Materialien mit dem Potenzial für viele nanotechnologische Anwendungen.
Die Arbeit des Teams baut auf etwa zwei Jahrzehnten Forschung zu Graphenen auf, einer weiteren Familie von 2D-Materialien mit wichtigen Anwendungen in vielen Bereichen, die jedoch im Vergleich zu MXenen (ausgesprochen „Maxenen“) einige Mängel aufweisen. Die neueste Forschung des Teams ist veröffentlicht im Tagebuch Gegenstand.
MXene bestehen aus atomar dünnen Schichten von Übergangsmetallcarbiden, -nitriden oder -carbonitriden. Sie stammen aus der sogenannten MAX-Phase, deren Name ihre charakteristischen Komponenten beschreibt: das „M“, ein Übergangsmetall wie Titan oder Chrom; ein „A“-Element wie Aluminium; und das „X“ steht für Kohlenstoff- oder Stickstoffatome. Die Komponenten sind in einer Schichtstruktur verpackt. Um MXene zu synthetisieren, haben Chemiker saure Lösungen verwendet, um die Schichten der „A“-Elemente wegzuätzen, während die anderen Schichten intakt blieben – eine relativ einfache Technik mit hoher Ausbeute.
Mehrere Dutzend MXene mit unterschiedlichen Kombinationen von „M“- und „X“-Elementen wurden synthetisiert. Das Team aus Nebraska hat sich auf eine wenig erforschte Version konzentriert, die Chrom-, Titan- und Kohlenstoffatome enthält, sagte Alexander Sinitskii, Professor für Chemie und leitender Forscher.
„Das Feld wächst schnell“, sagte Sinitskii.
MXene haben sich bei der Speicherung von Energie, der Wasserreinigung, dem Schutz vor elektromagnetischen Störungen, biomedizinischen Anwendungen und vielem mehr als nützlich erwiesen.
Der Schlüssel zu ihrer Nützlichkeit sei ihre chemische und strukturelle Vielfalt sowie ihre Skalierbarkeit und Verarbeitbarkeit, sagte Sinitskii, der auch dem Nebraska Center for Materials and Nanoscience angeschlossen ist.
MXene haben eine große Oberfläche und sind leicht einstellbar. Sie reagieren außerdem stark auf Licht und sind aufgrund ihrer mit Sauerstoff und Hydroxyl abgeschlossenen Oberflächen hydrophil – werden von Wasser angezogen.
Sinitskiis Team hat herausgefunden, dass das Chrom und Titan enthaltende MXene „einen bestimmten Satz von Eigenschaften aufweist, die bei anderen nicht zu finden sind“. Frühere Untersuchungen des Nebraska-Teams an anderen MXene-Materialien zeigten deren n-Typ-Charakter (elektronenreich) und eine verringerte Leitfähigkeit als Reaktion auf Licht. Im Gegensatz dazu ist das neue Material das erste MXen mit nachgewiesenen p-Typ-Eigenschaften (elektronenarm) und einer zunehmenden Leitfähigkeit unter Beleuchtung.
„Das sind sehr ungewöhnliche Eigenschaften für MXenes“, sagte Sinitskii. „In vielen elektronischen Anwendungen sind sowohl n- als auch p-Typ-Materialien erforderlich und werden in Kombination verwendet. Früher untersuchte MXene waren alle n-Typ, aber jetzt demonstrieren wir das erste p-Typ-MXene. Dies sollte komplexe Strukturen ermöglichen, in denen komplementäre MXene vorhanden sind.“ gemeinsam genutzt, um neue elektronische Funktionalitäten zu erreichen.“
Sein Team war außerdem in der Lage, größere, gleichmäßigere Flocken des Chrom-/Titankarbids MXene herzustellen als bisher verfügbar, was ihre Erforschung und Verwendung erleichtert.
Weitere Autoren sind Saman Bagheri, Postdoktorand, Chemie; Michael J. Loes, Doktorand, Chemie; Haidong Lu, wissenschaftlicher Mitarbeiter, Physik und Astronomie; Rashmeet Khurana, Doktorand, Chemie; Md. Ibrahim Kholil, Doktorand, Chemie; und Alexei Gruverman, Mach-Professor für Physik und Astronomie. Co-Autoren, alle von der South Dakota School of Mines and Technology, sind Alexey Lipatov, Khimananda Acharya und Tula R. Paudel.
Weitere Informationen:
Saman Bagheri et al., Synthese hochwertiger großer Cr2TiC2T-MXene-Monoschichten, ihre mechanischen Eigenschaften, elektrischen Transport vom p-Typ und positive Photoantwort, Gegenstand (2024). DOI: 10.1016/j.matt.2024.08.019