自石墨烯問(wèn)世以來(lái)，二維納米材料因其高比表面積、易操作加工等優(yōu)異的性能獲得廣泛關(guān)注。諸多類(lèi)石墨烯結構相繼被合成，并在特定領(lǐng)域展現出良好的應用前景，如硅烯、黑磷、二硫化鉬等。
2011年，美國Drexel大學(xué)教授Michel Barsoum課題組首次通過(guò)氫氟酸刻蝕MAX相（M指前過(guò)渡金屬，A指A族元素，X指碳或氮）的方法，剝離了MAX中結合較弱的A原子層，得到結合緊密的MX片層結構。類(lèi)比于石墨烯，得到的片層被命名為MXene。
由于已知的MAX相已超過(guò)70余種，相應的刻蝕產(chǎn)物MXene的種類(lèi)也將十分豐富。截至目前，在實(shí)驗中制備出的MXene已經(jīng)超過(guò)15種。此外，由于在酸溶液中刻蝕，MXene表面常被氧、氟、羥基等官能團覆蓋?；谪S富的化學(xué)元素以及多種表面官能團，不同構型的MXene物理性能差異顯著(zhù)。因此，為了更好地設計和應用MXene材料，對本征物理性能的研究至關(guān)重要。
基于理論研究，中科院在MXene材料物性預測以及機理分析方面作了一系列相關(guān)工作。
為了考察常見(jiàn)官能團氧、氟、羥基對MXene物性的影響，研究人員首先系統性地研究了M2CT2（M=Sc, Ti, V, Cr, Zr, Nb, Mo, Hf, Ta, W; T=O, F, OH）MXene的本征結構、力學(xué)強度以及電子能帶圖。研究表明，對于同一種M金屬元素，氧功能化的MXene比對應的含氟或羥基的體系具有更小的摩爾體積，更高的力學(xué)強度，以及更多的半導體性成員。大多數M2CT2的穩定構型以及力學(xué)常數c11如圖1所示。
圖1. (a)和(b)分別是M2CT2 MXene的俯視圖和側面圖；(c) M2CT2 MXene的力學(xué)常數
通過(guò)微觀(guān)結構分析表明，氧官能團相對于氟和羥基具備更強的得電子能力，與表面金屬原子M形成更強的離子鍵，從而導致上述性能的差異。此外，在半導體型MXene中，Sc2CT2(T=F,OH)和M2CO2(M=Ti, Zr, Hf)的能帶帶隙處于0.85~1.8 eV之間，滿(mǎn)足于半導體電子器件對材料適中能帶帶隙的要求。
為了驗證具有適中帶隙的半導體MXene在電子器件方面的應用，科研人員考察了Sc2CT2(T=F, OH)和M2CO2(M=Ti, Zr, Hf)的關(guān)鍵性能載流子遷移率和熱導。研究結果表明，Sc2CF2和Sc2C(OH)2具有較高的電子遷移率，其中Sc2CF2鋸齒型方向電子遷移率高達5.03×103 cm2V-1s-1，約為目前電子器件材料硅電子遷移率的4倍。此外，電子遷移率呈現較強的各向異性，這主要是由其導帶底電子波函數空間分布所決定的，如圖2(a)所示。
半導體型材料熱導主要由晶格熱導貢獻，Sc2CF2的室溫熱導值（5um尺寸）高達472 Wm-1K-1。隨著(zhù)樣品尺寸的增大，該熱導值仍可進(jìn)一步提高，如圖2(c)所示。
圖2. (a) Sc2CF2導帶底電子波函數空間分布；(b) Sc2CF2價(jià)帶頂電子波函數空間分布；(c) Sc2CF2扶手型方向晶格熱導與樣品尺寸間函數關(guān)系
表面氧功能化的M2CO2 (M=Ti, Zr, Hf) MXenes體系，都呈現出超高的空穴遷移慮，數值都處于104量級，與實(shí)驗中報道的Ti2COx載流子遷移率相吻合。熱導隨著(zhù)金屬原子M原子序數的增加而增加，這主要是由于在同一族中金屬原子隨著(zhù)原子序數增大化學(xué)活性增強，和表面氧官能團形成更強的化學(xué)鍵。Hf2CO2的熱導與金屬鐵接近，而Ti2CO2的熱導約為21 Wm-1K-1。
基于以上數據，半導體型MXene有望應用于半導體電子器件材料。
此外，對于實(shí)驗上通過(guò)氣相沉積合成的、表面沒(méi)有官能團的Mo2C構型，研究人員對其電學(xué)、熱學(xué)以及力學(xué)性能進(jìn)行了較全面的研究。研究結果表明，Mo2C具有較小的摩爾體積、良好的導電導熱性能，并且在外加應變和溫度下具有優(yōu)良的結構穩定性。其電導值在106Ω-1m-1的數量級。室溫熱導為48.4 Wm-1K-1，升高溫度或摻雜可進(jìn)一步提升。室溫熱膨脹系數為2.26×10-6 K-1，平面內的楊氏模量為312 GPa?；谏鲜鲂阅軈?，Mo2C在電極材料以及薄膜基底材料方面有較好的應用前景。
更多精彩！歡迎掃描下方二維碼關(guān)注中國粉體技術(shù)網(wǎng)官方微信（粉體技術(shù)網(wǎng)）
|
