"科研人员合成半导体型类MXene二维过渡金属碳化物材料"
在最近的一项研究中,科研人员成功合成了半导体型类MXene二维过渡金属碳化物材料,这项成果对今后自我修复性材料的设计研发具有重要指导意义。在这项研究中,研究人员使用了一种新型高分子材料,其成本较低,可以大量合成。这一研究成果给今后自我修复性材料的设计研发提供了重要指导。
MXene是一类新兴发展起来的二维材料,其丰富的化学元素组成及可调谐的表面官能团为其性质的多样化提供了广阔的空间。MXene材料主要由选择性刻蚀三维层状MAX相材料的A层Al原子获得,其中M表示前过渡金属,A主要是来自第13-16族的元素,X是C和/或N。MXene材料丰富的化学元素组成和可调谐的性质使其在储能、电磁干扰屏蔽、复合材料、水体净化及传感器等领域展现出良好的应用前景。
在这项研究中,研究人员通过结构设计获得可刻蚀的前驱体,并建立温和相容的刻蚀化学对获得全Sc系MXene非常重要。研究人员利用一类新型非MAX相层状材料作为前驱体,通过刻蚀Zr3Al3C5及Hf3(AlSi)4C6中的Al-Si-C亚层的全新路径,相继在MXene系统中引入了Zr3C2Tx和Hf3C2Tx MXene组员。
在此基础上,实验室研究人员合成了类MAX相结构的ScAl3C3前驱体,在相对温和的有机碱液TMAOH中,选择性刻蚀ScAl3C3相中的Al-C亚层获得了二维全钪系碳化物ScCxOH。通过光电子能谱、电子能量损失谱及透射电镜等表征手段证实其表面主要含-OH官能团。
与瑞典林雪平大学教授Per Persson团队合作,基于价电子能量损失谱(VEELS)及阴极荧光光谱(CL)证实该新型Sc系二维碳化物具有约2.5eV的直接带隙。与日本国立材料研究所教授廖梅勇团队合作,以剥离态的几层结构ScCxOH片层制作了光探测器件,发现其在紫外可见光区域具有良好的光电响应性(0.125A/W, 10V, 360nm)及高量子效率(~43%),瞬态响应良好,无明显缺陷阱效应。
该材料的响应率与基于石墨烯、少层MoS2 及GaSe等二维材料制作的光探测器具有可比性,且接近传统的GaAs薄膜光探测器件(0.148 A/W, 51%)。具有适中带隙值的直接带隙半导体型Sc-CxOH材料有望在可见光探测器及光催化等领域获得应用。
这项研究对于发展新型二维半导体材料具有重要意义,并且对自我修复性材料的设计研发具有重要指导意义。该研究成果对今后储能、电磁干扰屏蔽、复合材料、水体净化及传感器等领域的应用具有重要影响。