Les chercheurs recherchent depuis longtemps des matériaux conducteurs d'électricité pour des dispositifs économiques de stockage d'énergie. Les céramiques bidimensionnelles (2-D) appelées MXenes sont des prétendants. Contrairement à la plupart des céramiques 2D, Les MXènes ont une bonne conductivité intrinsèque car ce sont des feuilles moléculaires fabriquées à partir de carbures et de nitrures de métaux de transition comme le titane.

MXenes a été co-découvert par Michael Naguib, maintenant un Wigner Fellow au laboratoire national d'Oak Ridge du ministère de l'Énergie, tout en poursuivant son doctorat à l'Université Drexel en 2011. Les couches MXene peuvent être combinées pour concevoir de l'électronique ultrafine, capteurs, piles, supercondensateurs et catalyseurs. Environ 20 MXenes ont depuis été signalés.

Récemment, Des scientifiques de l'ORNL utilisant la microscopie électronique à transmission à balayage de pointe, ou STEM, a fourni la première preuve directe des configurations de défauts atomiques dans un MXene de carbure de titane synthétisé à l'Université Drexel. Publié dans ACS Nano , un journal de l'American Chemical Society, l'étude a couplé la caractérisation à l'échelle atomique et les mesures des propriétés électriques à une simulation basée sur la théorie.

« En utilisant l'imagerie par microscopie électronique à transmission à balayage à résolution atomique, nous avons visualisé des défauts et des clusters de défauts dans MXene qui sont très importants pour les futurs dispositifs nanoélectroniques et applications catalytiques, " a déclaré l'auteur principal Xiahan Sang du Center for Nanophase Materials Sciences (CNMS), une installation d'utilisateurs du DOE Office of Science à l'ORNL.

« Les défauts au niveau atomique peuvent être intégrés dans des matériaux pour permettre de nouvelles fonctionnalités, ", a déclaré l'auteur principal Raymond Unocic de CNMS. "La compréhension de ces défauts est essentielle pour faire progresser les matériaux."

L'imagerie atomique sous différents angles a été la clé pour révéler la structure de MXene. Lorsque l'échantillon est aligné avec le faisceau d'électrons dans un instrument STEM, le spectateur ne peut pas dire combien de feuilles se trouvent sous la couche supérieure. Mais inclinez simplement l'échantillon, et des différences apparaissent facilement. Par exemple, une couche multifeuilles est constituée d'atomes empilés, une structure qui forme une image floue lorsque le calque est incliné. L'apparition d'images atomiques nettes dans différentes conditions d'inclinaison a prouvé sans ambiguïté la structure monocouche du MXene.

Production en série facile d'un bon conducteur 2D

Les MXènes sont fabriqués à partir d'un cristal massif tridimensionnel (3D) appelé MAX (le « M » désigne un métal de transition ; « A, " un élément, comme l'aluminium ou le silicium, d'un groupe chimique spécifique ; et "X, " soit du carbone soit de l'azote). Dans le réseau MAX à partir duquel le MXene exploré dans cette étude a émergé, trois couches de carbure de titane sont prises en sandwich entre des couches d'aluminium.

Les chercheurs de Drexel ont amélioré une technique développée en 2011 et modifiée en 2014 pour synthétiser le MXene à partir de la phase MAX en vrac à l'aide d'acides. La méthode améliorée est appelée délaminage de couche minimalement intensif, ou DOUX. "En allant avec MILD, nous nous sommes retrouvés avec de gros flocons de MXene de haute qualité, " a déclaré Mohamed Alhabeb, un doctorant en science des matériaux à l'Université Drexel, qui a réalisé cet exploit avec un autre doctorant, Catherine Van Aken, sous la houlette de l'un des co-découvreurs de MXenes, Distingué professeur d'université et directeur de l'A.J. Institut Drexel des nanomatériaux Yury Gogotsi.

Pour synthétiser des flocons de MXene autoportants, l'équipe Drexel a d'abord traité le MAX en vrac avec un agent de gravure de sel de fluorure et d'acide chlorhydrique pour éliminer sélectivement les couches d'aluminium indésirables entre les couches de carbure de titane. Ensuite, ils ont secoué manuellement le matériau gravé pour séparer et collecter les couches de carbure de titane. Chaque couche a une épaisseur de cinq atomes et est constituée d'atomes de carbone liant trois feuilles de titane. Le mordançage et l'exfoliation MAX produisent bon nombre de ces couches de MXene autonomes. Cette technique relativement simple peut permettre une production à l'échelle industrielle.

La gravure crée des défauts :des espaces vides qui émergent lorsque les atomes de titane sont retirés des surfaces. Les "défauts" sont en fait bons dans de nombreuses applications de matériaux. Ils peuvent être introduits dans un matériau et manipulés pour améliorer son effet catalytique utile, propriétés optiques ou électroniques.

Plus la concentration d'agent de gravure est élevée, plus le nombre de défauts créés est important, l'étude a trouvé. « Nous avons la capacité de régler la concentration des défauts, qui pourrait être utilisé pour adapter les propriétés physico-chimiques des dispositifs de stockage et de conversion d'énergie, " a dit Sang.

De plus, le nombre de défauts n'affectait pas fortement la conductivité électrique du MXene. Au CNMS, Ming-Wei Lin et Kai Xiao ont mesuré les propriétés physiques, y compris la conductivité électrique, de divers matériaux 2-D prometteurs. Ils ont découvert que le MXene était d'un ordre de grandeur moins conducteur qu'une feuille de graphène parfaite, mais de deux ordres de grandeur plus conducteur que le bisulfure de molybdène métallique.

En utilisant la modélisation et la simulation, Paul Kent et Yu Xie de l'ORNL ont calculé l'énergie nécessaire pour créer des configurations atomiques de défauts qui, selon le STEM de Sang, étaient répandus.

Ensuite, les chercheurs prévoient d'ajuster les défauts au niveau atomique pour adapter des comportements spécifiques.