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科學》雜志：一種能夠合成數百種新型二維材料的方法

文章來源：賢集網更新時間：2024-03-19 15:35:12

二維材料非常薄，只有幾個原子厚，具有獨特的性質，使其在能量存儲、催化和水凈化等方面極具吸引力。瑞典林雪平大學研究人員開發出一種能夠合成數百種新型二維材料的方法。研究發表在最新一期的《科學》雜志上。

圖1. 計算篩選方法的示意圖。

自從石墨烯被發現以來，有關極薄材料（即所謂的二維材料）的研究呈指數級增長。二維材料相對于其體積或重量具有極大的表面積，因此產生了一系列物理現象和獨特的性能，例如良好的導電性、高強度或耐熱性，使得二維材料在基礎研究和應用中都受到關注。

最大的二維材料家族是MXene，由稱為MAX相的三維母體材料創建。它由3種不同的元素組成：M是過渡金屬，A是（A族）元素，X是碳或氮。通過用酸去除A元素（剝離），可創建二維材料。但到目前為止，MXene是唯一以這種方式創建的材料系列。

圖2. 層狀材料的剝離和溶劑化自由能比較。

研究人員引入了一種理論方法來預測其他可能適合轉換為二維材料的三維材料，并證明了理論模型與現實是一致的。

研究人員采用了3步過程。首先，他們開發了一個理論模型來預測哪些母材是合適的。通過瑞典國家超級計算機中心的大規模計算，研究人員從包含66643種材料的數據庫中識別出119種有前途的三維材料。

其次，他們嘗試在實驗室中制造這種材料。研究人員從母體材料YRu2Si2中去除了釔（Y），從而形成了二維的Ru2SixOy。

圖3. 化學剝落的初始階段，由空位形成自由能證明。

最后一步是進行實驗室驗證，他們使用掃描透射電子顯微鏡Arwen在原子水平上檢查材料及其結構。利用Arwen還可使用光譜法研究材料由哪些原子組成。

研究證明了理論模型確實有效，并且所得材料由正確的原子組成。該理論可付諸實踐，從而將化學剝離的概念擴展到比MXene更廣泛的材料中。

圖4. YRu2Si2在HF水溶液中的化學剝落。

自從石墨烯橫空出世，越來越多的二維材料家族成員進入人類視野。在電子元器件領域，很多二維材料憑借更高的電荷遷移率、更小的功耗等，展現出比傳統硅材料更加優越的性能。不僅如此，在燃料電池、太陽能電池等新能源領域，二維材料憑借其獨特結構和可調控特性，擁有廣闊應用前景。科學家發現能夠合成數百種新型二維材料的方法，將使二維材料家族進一步壯大，也為二維材料科學研究提供了更多可能。

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