Масс-спектрометрия вторичных ионов выявляет атомы, из которых состоят MXenes и их исходные материалы
В статье, недавно опубликованной в журнале Nature Nanotechnology, исследователи из Инженерного колледжа Дрекселя и Варшавского технологического института Польши и Института микроэлектроники и фотоники сообщили о новом способе изучения атомов, из которых состоят MXenes, и их исходных материалов, MAX-фаз, с использованием Метод называется масс-спектрометрией вторичных ионов. При этом группа обнаружила атомы в неожиданных местах и недостатки в двумерных материалах, которые могли объяснить некоторые из их уникальных физических свойств. Они также продемонстрировали существование совершенно нового подсемейства MXene, называемых оксикарбидами, которые представляют собой двумерные материалы, в которых до 30% атомов углерода заменено кислородом.
Новая методика масс-спектрометрии вторичных ионов позволила исследователям Drexel по-новому взглянуть на двумерные материалы, которые они изучали более десяти лет. Предоставлено: Университет Дрекселя.
С момента первоначального открытия того, что стало быстро растущим семейством двумерных слоистых материалов, называемых MXenes, в 2011 году исследователи Университета Дрекселя добились устойчивого прогресса в понимании сложного химического состава и структуры, а также физических и электрохимических свойств этих исключительно универсальных материалов. Более десяти лет спустя передовые инструменты и новый подход позволили команде заглянуть внутрь атомных слоев, чтобы лучше понять связь между формой и функцией материалов.
В статье, недавно опубликованной в журнале Nature Nanotechnology, исследователи из Инженерного колледжа Дрекселя и Варшавского технологического института Польши и Института микроэлектроники и фотоники сообщили о новом способе изучения атомов, из которых состоят MXenes, и их исходных материалов, MAX-фаз, с использованием Метод называется масс-спектрометрией вторичных ионов. При этом группа обнаружила атомы в неожиданных местах и недостатки в двумерных материалах, которые могли объяснить некоторые из их уникальных физических свойств. Они также продемонстрировали существование совершенно нового подсемейства MXene, называемых оксикарбидами, которые представляют собой двумерные материалы, в которых до 30% атомов углерода заменено кислородом.
Это открытие позволит исследователям создавать новые MXenes и другие наноматериалы с настраиваемыми свойствами, которые лучше всего подходят для конкретных приложений, таких как антенны для беспроводной связи 5G и 6G и экраны для защиты от электромагнитных помех; к фильтрам для производства, хранения и разделения водорода; к носимым почкам для пациентов на диализе.
«Лучшее понимание подробной структуры и состава двумерных материалов позволит нам полностью раскрыть их потенциал», — сказал Юрий Гогоци, доктор философии, заслуженный профессор Университета и Баха в Колледже, который руководил исследованием характеристик MXene. «Теперь у нас есть более четкое представление о том, почему MXenes ведут себя так, как они ведут себя, и мы сможем адаптировать их структуру и, следовательно, поведение для новых важных приложений».
Масс-спектрометрия вторичных ионов (ВИМС) — широко используемый метод для изучения твердых поверхностей и тонких пленок и изучения того, как их химический состав изменяется с глубиной. Он работает, направляя луч заряженных частиц на образец, который бомбардирует атомы на поверхности материала и выбрасывает их — процесс, называемый распылением. Выброшенные ионы обнаруживаются, собираются и идентифицируются на основе их массы и служат индикаторами состава материала.
В то время как SIMS использовался для изучения многослойных материалов на протяжении многих лет, разрешение по глубине было ограничено при исследовании поверхности материала (несколько ангстрем). Группа под руководством Павла Михаловски, доктора философии, из Польского института микроэлектроники и фотоники, внесла ряд улучшений в технику, включая регулировку угла и энергии луча, способ измерения выброшенных ионов; и очистку поверхности образцов, что позволяло напылять образцы послойно. Это позволило исследователям просматривать образец с разрешением на уровне атомов, что ранее было невозможно.
«Самый близкий метод анализа тонких слоев и поверхностей MXene — это рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия, которую мы использовали в Drexel, начиная с открытия первого MXene», — сказал Марк Анайи, докторант группы Гогоци. «В то время как XPS позволил нам взглянуть только на поверхность материалов, SIMS позволяет нам анализировать слои под поверхностью. Это позволяет нам «удалять» ровно один слой атомов за раз, не нарушая атомы под ним. Это может дать мы получили гораздо более четкую картину, которая была бы невозможна с помощью любой другой лабораторной техники».
По мере того как команда снимала верхний слой атомов, подобно археологу, тщательно раскапывающему новую находку, исследователи начали видеть тонкие черты химических каркасов в слоях материалов, обнаруживая неожиданное присутствие и расположение атомов, а также различные дефекты и несовершенства.
«Мы продемонстрировали образование кислородсодержащих MXene, так называемых оксикарбидов. Это представляет собой новое подсемейство MXene, что является большим открытием». — сказал Гогоци. «Наши результаты показывают, что для каждого карбида MXene существует оксикарбид MXene, где кислород заменяет некоторые атомы углерода в структуре решетки».
Поскольку MAX и MXenes представляют собой большое семейство материалов, исследователи дополнительно изучили более сложные системы, включающие несколько металлических элементов. Они сделали несколько новаторских наблюдений, в том числе смешение атомов в карбиде хрома и титана MXene, которые ранее считались разделенными на отдельные слои. И они подтвердили предыдущие выводы, такие как полное разделение атомов молибдена на внешние слои и атомов титана на внутренний слой в молибден-титановом карбиде.
По словам Гогоци, все эти результаты важны для разработки MXenes с точно настроенной структурой и улучшенными свойствами.
«Теперь мы можем контролировать не только общий элементный состав MXene, но также знать, в каких атомных слоях расположены конкретные элементы, такие как углерод, кислород или металлы», — сказал Гогоци. «Мы знаем, что удаление кислорода помогает повысить устойчивость карбида титана MXene к окружающей среде и увеличить его электронную проводимость. Теперь, когда мы лучше понимаем, сколько дополнительного кислорода содержится в материалах, мы можем скорректировать рецепт, так сказать, для производят MXenes, у которых его нет, и в результате они более стабильны в окружающей среде».
Команда также планирует изучить способы разделения слоев хрома и титана, что поможет разработать MXenes с привлекательными магнитными свойствами. И теперь, когда метод SIMS доказал свою эффективность, Гогоци планирует использовать его в будущих исследованиях, включая его недавнюю работу, финансируемую Министерством энергетики США, на 3 миллиона долларов по исследованию MXenes для хранения водорода — важный шаг на пути к разработке нового устойчивого Энергетический ресурс.
«Во многих отношениях изучение MXenes за последнее десятилетие было картографированием неизведанной территории», — сказал Гогоци. «Благодаря этому новому подходу у нас есть более четкое представление о том, где искать новые материалы и приложения».
