Прорыв в создании MXene: упорядоченная структура повышает проводимость в 160 раз

Учёные из Германии разработали новый метод синтеза перспективных материалов MXene, который позволяет создавать их с идеально упорядоченной атомной структурой поверхности. Это привело к беспрецедентному росту электропроводности.

MXene — это семейство ультратонких неорганических материалов, открытое в 2011 году. Их свойства сильно зависят от атомов, которыми «завершаются» внешние слои. До сих пор при производстве методом химического травления эти атомы (кислород, фтор, хлор) располагались хаотично, что ухудшало электронные свойства материала.

Эта атомная неупорядоченность ограничивает производительность, потому что она захватывает и рассеивает электроны, подобно выбоинам, замедляющим движение на шоссе

Новый метод, названный GLS, использует не агрессивные химикаты, а расплавленные соли и пары йода. Он позволяет контролируемо присоединять к поверхности MXene атомы галогенов (хлора, брома или йода) в строгом порядке, практически без примесей. Метод успешно протестирован на восьми различных исходных материалах.

На примере широко изучаемого титанового карбида Ti₃C₂ команда продемонстрировала впечатляющий результат. Версия материала с упорядоченными атомами хлора (Ti₃C₂Cl₂) показала 160-кратное увеличение макроскопической проводимости и 13-кратный рост терагерцовой проводимости по сравнению с материалом, полученным традиционным способом. Подвижность носителей заряда выросла почти вчетверо.

Квантовое моделирование подтвердило, что упорядоченная структура уменьшает захват и рассеяние электронов, объясняя резкий скачок производительности. Более того, меняя тип галогена на поверхности, можно настраивать взаимодействие материала с электромагнитными волнами в определённых диапазонах частот, что полезно для создания радиопоглощающих покрытий, электромагнитных экранов и устройств беспроводной связи.

Новый метод открывает путь к тонкой настройке свойств MXene для применения в гибкой электронике, высокоскоростных системах связи, катализе, накоплении энергии и фотонике.