Китайские ученые впервые синтезировали новый двумерный материал — лантаноидный MXene

Репортаж от Wedoany，Объединенная команда Лаборатории передовых ядерных энергетических материалов Нинбоского института материаловедения и технологий Китайской академии наук, Чжэцзянского университета и Лаборатории Юнцзян, используя стратегию подслоевого редактирования «химическими ножницами», «встроила» лантаноидные элементы в кристаллическую решетку MXene, впервые создав новый двумерный материал, обладающий одновременно полупроводниковыми и ферромагнитными свойствами, — лантаноидный MXene.

MXene — это класс двумерных материалов на основе переходных металлов, карбидов, нитридов или карбонитридов. Благодаря своей превосходной электропроводности и регулируемым поверхностным химическим свойствам, они имеют широкие перспективы применения в накоплении энергии, электромагнитной защите, катализе, сенсорике и других областях. Однако у этих «звездных игроков» есть и недостатки: почти все они являются металлическими проводниками, им не хватает характерной для полупроводников зонной структуры, и они редко обладают магнитной упорядоченностью. Это ограничивает дальнейшее расширение применения материалов в электронных устройствах, спинтронике и других направлениях.

Исследовательская группа обнаружила, что моногалогениды лантаноидов имеют особую слоистую структуру, схожую с подслоевой структурой MXene после удаления слоев атомов углерода. Основываясь на ранее предложенной стратегии подслоевого редактирования «химическими ножницами», они разработали новый путь синтеза — используя различия в химических свойствах подслоев в слоистых соединениях, осуществлять удаление, замещение или реконструкцию определенных атомных слоев. Это похоже на сборку атомарных кубиков Lego по чертежу.

Команда разработала двухстадийную мягкую реакцию. На первом этапе лантаноидный металл реагирует с хлоридом меди, in situ получая необходимый промежуточный моногалогенид. На втором этапе промежуточное соединение реагирует с графитовым порошком, «танцуя» вместе при высокой температуре. В этот момент локализованные электроны между слоями промежуточного соединения активно «жертвуют» себя, восстанавливая атомы углерода в графите до четырехвалентных анионов углерода (C^4-). После потери электронов межслоевая связь, поддерживаемая электронами, ослабевает, и отрицательно заряженные анионы углерода вставляются между двумя слоями металла, точно занимая октаэдрические пустоты, в конечном итоге формируя новую кристаллическую структуру MXene с последовательностью укладки T-Ln-C-Ln-T.

Результаты испытаний показывают, что новый материал одновременно раскрывает два свойства: полупроводниковое и ферромагнитное. Такие двумерные материалы являются давней целью спинтроники и обладают огромным потенциалом в области энергоэффективных логических устройств, высокочастотной связи, магнитных датчиков и даже квантовых вычислений. Данная стратегия синтеза универсальна и в будущем может быть распространена на другие переходные металлы, открывая новую дверь для обогащения семейства двумерных материалов.