Nieuwe familie van atomair dunne elektrodenmaterialen ontdekt

Een verkennend onderzoek naar het gedrag van materialen met gewenste elektrische eigenschappen heeft geleid tot de ontdekking van een structurele fase van tweedimensionale (2D) materialen. De nieuwe familie van materialen zijn elektroden, waarin elektronen een ruimte innemen die gewoonlijk is gereserveerd voor atomen of ionen in plaats van rond de kern van een atoom of ion te draaien. De stabiele, energiezuinige, afstembare materialen kunnen potentiële toepassingen hebben in nanotechnologieën.

Het internationale onderzoeksteam, geleid door Hannes Raebiger, universitair hoofddocent bij de afdeling Natuurkunde aan de Yokohama National University in Japan, publiceerde hun resultaten op 10 juni als frontispice in Geavanceerde functionele materialen.

Aanvankelijk wilde het team de fundamentele eigenschappen van een 2D-systeem dat bekend staat als Sc . beter begrijpen₂CO₂. Het systeem, dat twee atomen metaalscandium, één koolstofatoom en twee zuurstofatomen bevat, behoort tot een familie van chemische verbindingen die gezamenlijk MXenen worden genoemd. Ze zijn meestal samengesteld uit een koolstof- of stikstoflaag van één atoom dik, ingeklemd tussen metaallagen, bezaaid met zuurstof- of fluoratomen.

De onderzoekers waren vooral geïnteresseerd in MXene Sc₂CO₂ vanwege de voorspellingen dat wanneer gestructureerd in een zeshoekige fase, het systeem gewenste elektrische eigenschappen zou hebben.

“Ondanks deze fascinerende voorspellingen van zeshoekige fasen van Sc₂CO₂, we zijn ons tot nu toe niet bewust van de succesvolle fabricage, “zei Soungmin Bae, eerste auteur en onderzoeker bij de afdeling Natuurkunde aan de Yokohama National University. “Door de fundamentele eigenschappen ervan te analyseren, ontdekten we een volledig nieuwe structurele fase.”

De nieuwe bouwfase resulteert in nieuwe elektrodematerialen. De atomaire dunne 2D-structuurfase wordt beschreven als betegelde vormen die het centrale koolstofvlak vormen. De eerder voorspelde vorm was een zeshoek, met een koolstofatoom op elk hoekpunt en één in het midden. De nieuwe materialen hebben een ruitachtige vorm, met elektronen op de hoekpunten en een koolstoftrimeer – drie koolstofatomen op een rij – in het midden.

“Koolstof is een van de meest voorkomende materialen op onze planeet en heel belangrijk voor levende wezens, maar het wordt bijna nooit als trimeren gevonden”, zei Raebiger. “De dichtstbijzijnde plaats waar koolstoftrimeren meestal worden gevonden, is de interstellaire ruimte.”

De algehele vorm is minder symmetrisch dan de eerder beschreven hexagonale structuur, maar is meer symmetrisch ten opzichte van het centrale vlak. Deze structuur biedt volgens Raebiger unieke kenmerken door het verschijnen van de nieuwe familie van elektroden.

“Elektriden bevatten elektronen als een structurele eenheid en zijn vaak extreem goede elektrische geleiders”, zei Raebiger. “De huidige familie van elektroden zijn isolatoren, en hoewel de meeste isolatoren geleidend kunnen worden gemaakt door elektronen toe te voegen of te verwijderen, worden deze materialen gewoon meer isolerend.”

MXenen zijn bijzonder aantrekkelijk als materiaal, omdat ze opnieuw kunnen worden geconfigureerd met andere metalen elementen om een ​​overvloed aan eigenschappen te bieden, waaronder instelbare geleidbaarheid, verschillende vormen van magnetisme en/of chemische reacties als katalysatoren te versnellen. Bovendien zijn het ultradunne platen van slechts enkele atomen dik, dat wil zeggen 2D-materialen. De nieuw ontdekte elektroden hebben elektronen in roosterholtes tussen atomen en ionen, die gemakkelijk kunnen worden uitgezonden naar de omringende ruimte, zoals de elektronenbronnen voor grote deeltjesversnellers, en die kunnen worden geleend om een ​​specifiek gewenste chemische reactie te katalyseren.

“We hebben deze ontdekking gedaan omdat we wilden begrijpen hoe deze materialen beter werken,” zei Bae. “Als je iets tegenkomt dat je niet begrijpt, graaf dan dieper.”

Co-auteurs zijn onder meer William Espinosa-García en Gustavo M. Dalpian, Centro de Ciências Naturais e Humanas, Universidade Federal do ABC, Brazilië; Yoon-Gu Kang en Myung Joon Han, Afdeling Natuurkunde, Korea Advanced Institute of Science and Technology; Juho Lee en Yong-Hoon Kim, afdeling Elektrotechniek, Korea Advanced Institute of Science and Technology; Noriyuki Egawa, Kazuaki Kuwahata en Kaoru Ohno, afdeling Natuurkunde aan de Yokohama National University; en Mohammad Khazaei en Hideo Hosono, Materials Research Center for Element Strategy, Tokyo Institute of Technology. Espinosa-García is ook aangesloten bij Grupo de Investigación en Modelamienot y Simulación Computacional, Facultad de Ingenierías, Universidad de San Buenaventura-Medellín.