[논문 리뷰] High entropy van der Waals materials (Review article)

Tianping Ying, Tongxu Yu외 3명|arXiv (Cornell University)|2022. 08. 28.

MXene and MAX Phase Materials참고 문헌 59인용 수 47

한 줄 요약

이 리뷰는 고 엔트로피 개념—다양한 카이온의 무작위 분포—를 반데르발스 다층 구조에 통합함으로써 형성된 새로운 2차원(2D) 물질인 고 엔트로피 반데르발스 물질(HEX)을 소개한다. 다성분 고체 용액에서 유래한 구조적 엔트로피와 2D 반데르발스 시스템의 조절 가능한 자유도(적층, 비틀기, 삽입)를 결합함으로써, HEX는 잠재적 양자 현상 탐색과 향상된 촉매 성능을 가능하게 하며, 고 엔트로피 디칼코겐화합물, 포스포르스 트리칼코겐화합물, 할라이드 및 MXene에서 성공적인 사례가 제시되었다.

ABSTRACT

By breaking the restrictions on traditional alloying strategy, the high entropy concept has promoted the exploration of the central area of phase space, thus broadening the horizon of alloy exploitation. This review highlights the marriage of the high entropy concept and van der Waals systems to form a new family of materials category, namely the high entropy van der Waals materials (HEX, HE = high entropy, X= anion clusters) and describe the current issues and next challenges. The design strategy for HEX has integrated the local feature (e.g., composition, spin, and valence states) of structural units in high entropy materials and the holistic degrees of freedom (e.g., stacking, twisting, and intercalating species) in van der Waals materials, and has been successfully employed for the discovery of high entropy dichalcogenides, phosphorus tri-chalcogenides, halogens, and MXene. The rich combination and random distribution of the multiple metallic constituents on the nearly-regular 2D lattice give rise to a flexible platform to study the correlation features behind a range of selected physical properties, e.g., superconductivity, magnetism, and metal-insulator transition. The deliberate design of structural units and their stacking configuration can also create novel catalysts to enhance their performance in a bunch of chemical reactions.

연구 동기 및 목표

• 고 엔트로피 합금 원리를 2D 반데르발스 시스템과 융합하여 고 엔트로피 반데르발스 물질(HEX)이라는 새로운 물질 분류를 수립하기 위해.
• 촉매 및 표면 응용 분야에서의 고체 고 엔트로피 물질의 한계를 보완하기 위해 표면체적 비율이 높은 2D 형태를 가능하게 하기 위해.
• 2D 시스템에서 局부적 무질서(다성분 치환)와 전반적 구조적 자유도(적층, 비틀기, 삽입) 간의 상호작용을 탐구하기 위해.
• 고 엔트로피 디칼코겐화합물, 포스포르스 트리칼코겐화합물, 할라이드 및 MXene를 포함한 HEX 물질의 설계 및 발견을 시연하기 위해.
• 구조적 공학을 통해 제어 가능한 방식으로 잠재적 고체 양자 현상과 고급 촉매 응용 가능성을 부각시키기 위해.

제안 방법

• 다양한 금속 카이온이 2D 격자 내 구조 단위(예: 옥타에드론, 프리즘)에 무작위로 분포하는 방식의 '중국 체커스' 설계 전략을 채택하기 위해.
• AB3, AB4, AB6 등의 특징적인 구조 단위를 빌딩 블록으로 사용하여 고 엔트로피 2D 시스템 내의 국소적 순서를 기술하고 설계하기 위해.
• 다성분 고체 용액에서 기인하는 구성 엔트로피와 반데르발스 물질의 내재적 자유도(적층 순서, 비틀기 각도, 삽입 물질)를 통합하기 위해.
• 반데르발스 물질의 2D 성질을 활용하여 분리가 가능하고 표면 민감성 응용이 가능하도록 하되, 동시에 높은 구성 엔트로피를 유지하기 위해.
• 전자현미경, X선 회절, 스펙트로스코피 등의 고급 특성 분석 기법을 활용하여 다이아몬드형 카이온 분포와 구조적 안정성을 확인하기 위해.
• 이론적 프레임워크를 적용하여 2D와 3D 시스템 간의 엔트로피 기여를 모델링하고, S2D = 2kB ln Ω 를 정의하여 엔트로피 손실과 보상 메커니즘을 정량화하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 고 엔트로피 개념을 3D 고체 합금에서 2D 반데르발스 물질로 성공적으로 확장하여 새로운 물질 분류를 형성할 수 있는가?
• RQ2 HEX에서 전자적, 자성적, 촉매적 성질 조절에 기여하는 주요 자유도는 무엇인가?
• RQ3 2D 구속 조건은 3D 고체 대비 고 엔트로피 시스템의 구성 엔트로피와 안정성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 2D 격자 내에서 다수의 카이온이 무작위로 분포함으로써 초전도성 또는 금속-절연체 전이와 같은 잠재적 양자 현상이 발생할 수 있는가?
• RQ5 적층, 비틀기, 삽입 등의 구조적 공학이 고 엔트로피 2D 물질의 촉매 성능 향상에 어느 정도 기여할 수 있는가?

주요 결과

• 고 엔트로피 반데르발스 물질(HEX)은 고 엔트로피 디칼코겐화합물, 포스포르스 트리칼코겐화합물, 할라이드 및 MXene를 포함한 여러 가족에서 성공적으로 합성되었다.
• 거의 규칙적인 2D 격자 상에 다수의 금속 카이온이 무작위로 분포함으로써 초전도성, 자성 및 금속-절연체 전이의 상관관계를 연구할 수 있는 유연한 플랫폼이 제공된다.
• HEX의 2D 성질은 3D 고 엔트로피 시스템 대비 약 33%의 엔트로피 손실을 유도하지만, 적층 불규칙성, 삽입 및 구조적 변동성으로 보완될 수 있다.
• 국소적 구성 엔트로피와 전반적 구조 자유도(적층, 비틀기, 삽입)의 통합은 물리적 및 화학적 성질의 사전 없이도 극도로 높은 조절 가능성을 가능하게 한다.
• 다성분 고체 용액에서 기인하는 높은 활성 부위 밀도와 조절 가능한 전자 구조 덕분에 HEX 물질은 향상된 촉매 성능을 나타낸다.
• 구조 단위 접근법(예: 옥타에드론, 프리즘, 삼각형)은 새로운 HEX 물질을 기술하고 설계하기 위한 강력한 프레임워크를 제공하며, 기능성 2D 빌딩 블록의 레고와 유사한 조립 방식에 비유할 수 있다.