(Phys.org) - Les chercheurs ont introduit les électrides dans le nanorégime en synthétisant le premier matériau d'électride 2D. Les électrides sont des composés ioniques, qui sont constitués d'ions négatifs et positifs. Mais en électrides, les "ions" négatifs sont simplement des électrons, sans noyau. Les électrons sont très proches les uns des autres et très faiblement liés, les faisant agir comme un gaz d'électrons. Ce gaz d'électrons confère aux électrides certaines propriétés électriques, comme une mobilité électrique élevée et un transport électrique rapide, très attractifs pour les applications électroniques.

Les chercheurs, dirigé par Scott C. Warren, professeur adjoint de sciences physiques appliquées et de chimie à l'Université de Caroline du Nord à Chapel Hill, ont publié un article sur la démonstration de l'électride 2D dans un récent numéro du Journal de l'American Chemical Society .

« Les électrides en couches ont des propriétés électroniques très intéressantes, par exemple, une conductivité bien supérieure à celle du graphène, " Warren a dit Phys.org . "Dans la structure cristalline d'un électride en couches, un nuage d'électrons s'étend dans un plan plat de deux angströms d'épaisseur entre des plaques d'atomes. Les électrons peuvent traverser ce nuage plat avec peu d'interactions avec les atomes voisins, leur permettant de se déplacer très rapidement.

Dans leur étude, les chercheurs ont montré que les caractéristiques déterminantes des électrides, en particulier, le gaz d'électrons et ses propriétés-sont préservés lorsqu'un électride en couches appelé nitrure dicalcique (Ca 2 N) est synthétisé en deux dimensions, forme monocouche. L'ouvrage marque la première synthèse d'un électride 2D.

"Nous avons isolé quelques couches du cristal, peut-être aussi mince qu'un nanomètre à plusieurs nanomètres, " Warren a dit. " En raison de sa minceur, ce matériau est appelé matériau 2D, comme le graphène. Un électride en tant que matériau 2D avait été prédit pour être stable dans le vide et conserver ses qualités électroniques passionnantes par des calculs théoriques, mais le matériel est très réactif et c'était une question ouverte si 2D Ca 2 N pourrait être fait dans un environnement de laboratoire. Nous avons montré que dans le bon environnement chimique, le matériau est stable pendant de longues périodes de temps sans compromettre ses propriétés électroniques passionnantes."

Comme l'ont expliqué les chercheurs, séparer l'électride multicouche en ses couches individuelles était un défi car les électrides ont de fortes interactions électrostatiques qui maintiennent leurs couches ensemble. Les électrides ont également une réactivité chimique élevée qui complique encore les choses, empêchant l'utilisation de la "méthode du scotch-tape" pour l'exfoliation car les électrides se décomposent au contact de certains adhésifs.

Au lieu, les chercheurs ont utilisé une exfoliation liquide, qui utilise des réactions chimiques pour produire un grand nombre de nanofeuillets en suspension en solution. Après avoir testé 30 solvants, les chercheurs ont trouvé un solvant dans lequel le Ca 2 Les nanofeuillets N restent en suspension stable pendant au moins un mois.

Les tests ont montré que les nanofeuillets d'électride 2D ont une conductivité électrique élevée comparable à l'aluminium métallique, haute transparence (un film de 10 nm d'épaisseur transmet 97 % de la lumière), et - en raison de la forme 2D - la surface la plus élevée pour tous les électrides signalés à ce jour. En combinant la grande surface spécifique des matériaux 2D avec les propriétés électriques inhabituelles des électrides, les chercheurs s'attendent à ce que l'électride 2D conduise à de nombreuses autres découvertes à l'avenir. Les applications potentielles incluent les conducteurs transparents, électrodes de batterie, émetteurs d'électrons, et des catalyseurs pour la synthèse chimique.

"L'application potentielle qui nous passionne le plus est dans les batteries avancées, qui est au centre de notre collaboration actuelle avec le Honda Research Institute, " a déclaré Warren. " Il existe également d'autres applications potentielles intéressantes, par exemple sous forme de films conducteurs transparents. D'un point de vue académique, ce travail ouvre des voies de synthèse pour étudier expérimentalement des électrides 2D et tester des applications potentielles que nous n'avons même pas encore envisagées."

À l'avenir, les chercheurs prévoient d'explorer plus avant les applications potentielles des électrides et de relever les défis pratiques liés à leur réalisation.

"Nous avons beaucoup à apprendre sur les électrides en tant que matériaux 2D, " dit Warren. " Par exemple, comment peut-on enduire ou fonctionnaliser la surface pour rendre les électrides stables dans l'air ?"

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