寧波材料所在二維納米材料MXene本征物理性能理論預(yù)測方面取得系列進展

　　自石墨烯問世以來，二維納米材料因其高比表面積、易操作加工等優(yōu)異的性能獲得廣泛關(guān)注。諸多類石墨烯結(jié)構(gòu)相繼被合成，并在特定領(lǐng)域展現(xiàn)出良好的應(yīng)用前景，如硅烯、黑磷、二硫化鉬等。2011年，美國Drexel大學(xué)教授Michel Barsoum課題組首次通過氫氟酸刻蝕MAX相（M指前過渡金屬，A指A族元素，X指碳或氮）的方法，剝離了MAX中結(jié)合較弱的A原子層，得到結(jié)合緊密的MX片層結(jié)構(gòu)。類比于石墨烯，得到的片層被命名為MXene。由于已知的MAX相已超過70余種，相應(yīng)的刻蝕產(chǎn)物MXene的種類也將十分豐富。截至目前，在實驗中制備出的MXene已經(jīng)超過15種。此外，由于在酸溶液中刻蝕，MXene表面常被氧、氟、羥基等官能團覆蓋。基于豐富的化學(xué)元素以及多種表面官能團，不同構(gòu)型的MXene物理性能差異顯著。因此，為了更好地設(shè)計和應(yīng)用MXene材料，對本征物理性能的研究至關(guān)重要?；诶碚撗芯?，中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所在MXene材料物性預(yù)測以及機理分析方面作了一系列相關(guān)工作。

　　為了考察常見官能團氧、氟、羥基對MXene物性的影響，研究人員首先系統(tǒng)性地研究了M2CT2（M=Sc, Ti, V, Cr, Zr, Nb, Mo, Hf, Ta, W; T=O, F, OH）MXene的本征結(jié)構(gòu)、力學(xué)強度以及電子能帶圖。研究表明，對于同一種M金屬元素，氧功能化的MXene比對應(yīng)的含氟或羥基的體系具有更小的摩爾體積，更高的力學(xué)強度，以及更多的半導(dǎo)體性成員。大多數(shù)M2CT2的穩(wěn)定構(gòu)型以及力學(xué)常數(shù)c11如圖1所示。通過微觀結(jié)構(gòu)分析表明，氧官能團相對于氟和羥基具備更強的得電子能力，與表面金屬原子M形成更強的離子鍵，從而導(dǎo)致上述性能的差異。此外，在半導(dǎo)體型MXene中，Sc2CT2(T=F,OH)和M2CO2(M=Ti, Zr, Hf)的能帶帶隙處于0.85~1.8 eV之間，滿足于半導(dǎo)體電子器件對材料適中能帶帶隙的要求。這項工作發(fā)表在《歐洲物理快報》（EPL 111，26007（2015））期刊上。

　　為了驗證具有適中帶隙的半導(dǎo)體MXene在電子器件方面的應(yīng)用，科研人員考察了Sc2CT2(T=F, OH)和M2CO2(M=Ti, Zr, Hf)的關(guān)鍵性能載流子遷移率和熱導(dǎo)。研究結(jié)果表明，Sc2CF2和Sc2C(OH)2具有較高的電子遷移率，其中Sc2CF2鋸齒型方向電子遷移率高達5.03×103 cm2V-1s-1，約為目前電子器件材料硅電子遷移率的4倍。此外，電子遷移率呈現(xiàn)較強的各向異性，這主要是由其導(dǎo)帶底電子波函數(shù)空間分布所決定的，如圖2(a)所示。半導(dǎo)體型材料熱導(dǎo)主要由晶格熱導(dǎo)貢獻，Sc2CF2的室溫熱導(dǎo)值（5um尺寸）高達472 Wm-1K-1。隨著樣品尺寸的增大，該熱導(dǎo)值仍可進一步提高，如圖2(c)所示。相關(guān)工作發(fā)表在Nanoscale 8, 6110 (2016)。表面氧功能化的M2CO2 (M=Ti, Zr, Hf) MXenes體系，都呈現(xiàn)出超高的空穴遷移慮，數(shù)值都處于104量級，與實驗中報道的Ti2COx載流子遷移率相吻合。熱導(dǎo)隨著金屬原子M原子序數(shù)的增加而增加，這主要是由于在同一族中金屬原子隨著原子序數(shù)增大化學(xué)活性增強，和表面氧官能團形成更強的化學(xué)鍵。Hf2CO2的熱導(dǎo)與金屬鐵接近，而Ti2CO2的熱導(dǎo)約為21 Wm-1K-1。這項工作發(fā)表在《科學(xué)報告》（Scientific Reports 6, 27971 (2016)）期刊上?；谝陨蠑?shù)據(jù)，半導(dǎo)體型MXene有望應(yīng)用于半導(dǎo)體電子器件材料。

　　此外，對于實驗上通過氣相沉積合成的、表面沒有官能團的Mo2C構(gòu)型，研究人員對其電學(xué)、熱學(xué)以及力學(xué)性能進行了較全面的研究。研究結(jié)果表明，Mo2C具有較小的摩爾體積、良好的導(dǎo)電導(dǎo)熱性能，并且在外加應(yīng)變和溫度下具有優(yōu)良的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。其電導(dǎo)值在106Ω-1m-1的數(shù)量級。室溫熱導(dǎo)為48.4 Wm-1K-1，升高溫度或摻雜可進一步提升。室溫熱膨脹系數(shù)為2.26×10-6 K-1，平面內(nèi)的楊氏模量為312 GPa?；谏鲜鲂阅軈?shù)，Mo2C在電極材料以及薄膜基底材料方面有較好的應(yīng)用前景。該工作發(fā)表于《物理化學(xué)雜志C》（Journal of Physical Chemistry C 120, 15082 (2016)）。

　　以上工作得到了國家重點研發(fā)計劃（No. 2016YFB0700100）、中組部青年千人計劃、國家自然科學(xué)基金（11604346，51372046, 51479037, 91226202）、寧波市自然科學(xué)基金（2016A610272，2014A610006）以及2014年中科院交叉創(chuàng)新團隊等項目的支持。