Secundaire ionenmassaspectrometrie onthult atomen waaruit MXenen en hun voorlopermaterialen bestaan

Sinds de eerste ontdekking van wat in 2011 een snelgroeiende familie van tweedimensionale gelaagde materialen is geworden, genaamd MXenes, hebben onderzoekers van de Drexel University gestaag vooruitgang geboekt bij het begrijpen van de complexe chemische samenstelling en structuur, evenals de fysische en elektrochemische eigenschappen, van deze uitzonderlijk veelzijdige materialen. Meer dan een decennium later hebben geavanceerde instrumenten en een nieuwe benadering het team in staat gesteld om in de atomaire lagen te kijken om het verband tussen de vorm en functie van de materialen beter te begrijpen.

In een onlangs gepubliceerd artikel in Natuur Nanotechnologie, rapporteerden onderzoekers van Drexel’s College of Engineering en het Warschau Institute of Technology en Institute of Microelectronics and Photonics in Polen een nieuwe manier om te kijken naar de atomen waaruit MXenen en hun voorlopermaterialen, MAX-fasen, bestaan, met behulp van een techniek die secundaire ionenmassaspectrometrie wordt genoemd. Daarbij ontdekte de groep atomen op locaties waar ze niet werden verwacht en onvolkomenheden in de tweedimensionale materialen die enkele van hun unieke fysieke eigenschappen zouden kunnen verklaren. Ze toonden ook het bestaan ​​aan van een geheel nieuwe onderfamilie van MXenen, oxycarbiden genaamd, tweedimensionale materialen waarin tot 30% van de koolstofatomen is vervangen door zuurstof.

Deze ontdekking zal onderzoekers in staat stellen nieuwe MXenen en andere nanomaterialen te bouwen met afstembare eigenschappen die het meest geschikt zijn voor specifieke toepassingen van antennes voor 5G en 6G draadloze communicatie en schilden voor elektromagnetische interferentie; tot filters voor waterstofproductie, -opslag en -scheiding; tot draagbare nieren voor dialysepatiënten.

“Een beter begrip van de gedetailleerde structuur en samenstelling van tweedimensionale materialen zal ons in staat stellen hun volledige potentieel te ontsluiten”, zegt Yury Gogotsi, Ph.D., Distinguished University en Bach-professor in het College, die het MXene-karakteriseringsonderzoek leidde. “We hebben nu een duidelijker beeld van waarom MXenes zich gedragen zoals ze doen en zullen in staat zijn om hun structuur en dus gedrag aan te passen voor belangrijke nieuwe applicaties.”

Secundaire-ionenmassaspectrometrie (SIMS) is een veelgebruikte techniek om vaste oppervlakken en dunne films te bestuderen en hoe hun chemie verandert met de diepte. Het werkt door een straal geladen deeltjes op een monster te schieten, die de atomen op het oppervlak van het materiaal bombardeert en uitwerpt – een proces dat sputteren wordt genoemd. De uitgestoten ionen worden gedetecteerd, verzameld en geïdentificeerd op basis van hun massa en dienen als indicatoren voor de samenstelling van het materiaal.

Hoewel SIMS in de loop der jaren is gebruikt om meerlagige materialen te bestuderen, is de diepteresolutie beperkt bij het onderzoeken van het oppervlak van een materiaal (meerdere angström). Een team onder leiding van Pawel Michalowski, Ph.D., van het Poolse Instituut voor Micro-elektronica en Fotonica, heeft een aantal verbeteringen aan de techniek aangebracht, waaronder het aanpassen van de hoek en energie van de straal, hoe de uitgestoten ionen worden gemeten; en het reinigen van het oppervlak van de monsters, waardoor ze de monsters laag voor laag konden sputteren. Hierdoor konden de onderzoekers het monster bekijken met een resolutie op atoomniveau die voorheen niet mogelijk was.

“De meest nabije techniek voor analyse van dunne lagen en oppervlakken van MXenes is röntgenfoto-elektronspectroscopie, die we bij Drexel hebben gebruikt vanaf de ontdekking van de eerste MXene”, zegt Mark Anayee, een promovendus in de groep van Gogotsi. “Terwijl XPS ons alleen een blik op het oppervlak van de materialen gaf, kunnen we met SIMS de lagen onder het oppervlak analyseren. Het stelt ons in staat om precies één laag atomen tegelijk te ‘verwijderen’ zonder de lagen eronder te verstoren. Dit kan geven ons een veel duidelijker beeld dat met geen enkele andere laboratoriumtechniek mogelijk zou zijn.”

Terwijl het team de bovenste laag atomen afpelde, zoals een archeoloog zorgvuldig een nieuwe vondst opgraaft, begonnen de onderzoekers de subtiele kenmerken van de chemische steigers in de materiaallagen te zien, waardoor de onverwachte aanwezigheid en positionering van atomen en verschillende defecten werden onthuld. en onvolkomenheden.

“We hebben de vorming van zuurstofhoudende MXenen aangetoond, de zogenaamde oxycarbiden. Dit vertegenwoordigt een nieuwe onderfamilie van MXenen, wat een grote ontdekking is.” zei Gogotsi. “Onze resultaten suggereren dat er voor elk carbide MXene een oxycarbide MXene is, waarbij zuurstof enkele koolstofatomen in de roosterstructuur vervangt.”

Omdat MAX en MXenes een grote materiaalfamilie vertegenwoordigen, hebben de onderzoekers meer complexe systemen onderzocht die meerdere metalen elementen bevatten. Ze deden verschillende baanbrekende waarnemingen, waaronder de vermenging van atomen in chroom-titaniumcarbide MXene, waarvan eerder werd gedacht dat ze in verschillende lagen waren gescheiden. En ze bevestigden eerdere bevindingen, zoals de volledige scheiding van molybdeenatomen naar de buitenste lagen en titaniumatomen naar de binnenste laag in molybdeen-titaniumcarbide.

Al deze bevindingen zijn volgens Gogotsi belangrijk voor het ontwikkelen van MXenen met een fijn afgestemde structuur en verbeterde eigenschappen.

“We kunnen nu niet alleen de totale elementaire samenstelling van MXenes controleren, maar ook weten in welke atomaire lagen de specifieke elementen zoals koolstof, zuurstof of metalen zich bevinden”, zei Gogotsi. “We weten dat het elimineren van zuurstof helpt om de omgevingsstabiliteit van titaniumcarbide MXene te vergroten en de elektronische geleidbaarheid te vergroten. Nu we beter begrijpen hoeveel extra zuurstof er in de materialen zit, kunnen we het recept bij wijze van spreken aanpassen aan produceren MXenen die het niet hebben, en daardoor stabieler in de omgeving.”

Het team is ook van plan om manieren te onderzoeken om lagen chroom en titanium van elkaar te scheiden, wat het zal helpen bij het ontwikkelen van MXenen met aantrekkelijke magnetische eigenschappen. En nu de SIMS-techniek effectief is gebleken, is Gogotsi van plan deze in toekomstig onderzoek te gebruiken, waaronder zijn recente, door het Amerikaanse Department of Energy gefinancierde inspanning van $ 3 miljoen om MXenes voor waterstofopslag te onderzoeken – een belangrijke stap in de richting van de ontwikkeling van een nieuwe duurzame energiebron.

“In veel opzichten heeft het bestuderen van MXenes de afgelopen tien jaar onontgonnen terrein in kaart gebracht”, zegt Gogotsi. “Met deze nieuwe aanpak hebben we een betere begeleiding bij het zoeken naar nieuwe materialen en toepassingen.”