[論文レビュー] Chemical-scissor-mediated structural editing of layered transition metal carbides

Haoming Ding, Youbing Li+13 more|arXiv (Cornell University)|Jul 29, 2022

MXene and MAX Phase Materials被引用数 6

ひとこと要約

本論文では、3D MAX相およびその2次元MXene誘導体に対して、化学的ハサミを用いた構造編集法を提案する。この手法により、制御されたバンドギャップの開口、非伝統的要素のインターカレーション、金属を介した切断と接着を経てMXeneとMAX相の間で可逆的変換が可能となる。本手法により、構造的・化学的多様性を有する層状碳化物・窒化物の新規家族が拡張される。

ABSTRACT

Intercalation of non-van der Waals (vdW) layered materials can produce new 2D and 3D materials with unique properties, but it is difficult to achieve. Here, we describe a structural editing protocol for 3D non-vdW layered ternary carbides and nitrides (MAX phases) and their 2D vdW derivatives (MXenes). Gap-opening and species-intercalating stages were mediated by chemical scissors and guest intercalants, creating a large family of layered materials with unconventional elements and structures in MAX phases, as well as MXenes with versatile termination species. Removal of surface terminations by metal scissors and stitching of carbide layers by metal atoms leads to a reverse transformation from MXenes to MAX phases, and metal-intercalated 2D carbides. This scissor-mediated structural editing may enable structural and chemical tailoring of other layered ceramics.

研究の動機と目的

• 非ファンデルワールス相互作用を示す層状MAX相およびMXeneに対する可逆的構造編集プロトコルの開発。
• MAX相およびMXeneへの非伝統的要素の制御されたインターカレーションを可能にする。
• 層状遷移金属窒化物および炭化物におけるバンドギャップの開口と構造再配置の実現。
• 金属を介した接着を経て、MXeneからMAX相への可逆的変換の実証。
• 2次元および3次元層状セラミックスの構造的・化学的多様性の拡張。

提案手法

• ハロゲン系試薬を用いた化学的ハサミを用い、MXeneの表面修飾を切断し、構造編集を開始する。
• ゲスト種（例：金属原子またはイオン）の層状構造へのインターカレーションにより、バンドギャップの開口と構造的変調が可能となる。
• 金属原子が「ハサミ」として表面修飾を除去し、「ステッチ材」としてMXene層をMAX相に類似した構造に再構築する。
• このプロセスは可逆的である：金属を介した再集合により、MXeneを再びMAX相に変換可能である。
• 本手法は3次元MAX相および2次元MXeneの両方へ適用可能であり、異なる次元性にわたる構造編集が可能となる。
• 本技術により、非伝統的要素の層状格子への組み込みが可能となり、組成空間が拡張される。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 化学的ハサミは、非ファンデルワールス相互作用を示す層状MAX相およびMXeneの制御された構造編集を可能にするか？
• RQ2 本手法を用いて、MAX相およびMXeneへ非伝統的要素をどのようにインターカレーションできるか？
• RQ3 金属を介した接着により、MXeneからMAX相への変換を可逆的に達成できるか？
• RQ4 層状炭化物におけるバンドギャップの開口およびインターカレーションの過程で、どのような構造的・電子的変化が生じるか？
• RQ5 本手法は、2次元および3次元層状セラミックスの組成および構造をどの程度までタイルリング可能か？

主な発見

• 化学的ハサミ法により、従来入手が困難であった多様な修飾種を有するMXeneの創出が可能となった。
• MXeneへの金属原子のインターカレーションにより、チューナブルなバンドギャップを有する2次元炭化物が形成された。
• MXeneからMAX相への可逆的変換が実証され、構造編集の実現可能性が確認された。
• 本手法により、MAX相格子への非伝統的要素の組み込みが可能となり、層状セラミックスの組成空間が拡張された。
• 化学的ハサミを用いた構造編集により、安定的かつ明確な2次元および3次元層状材料が得られ、電子的および構造的特性がチューニングされた。
• 本技術は、従来の合成法を超えた、層状遷移金属炭化物および窒化物の一般化された調整経路を提供する。