[论文解读] High entropy van der Waals materials (Review article)

Tianping Ying, Tongxu Yu+3 more|arXiv (Cornell University)|Aug 28, 2022

MXene and MAX Phase Materials参考文献 59被引用 47

一句话总结

本综述介绍了高熵范德华材料（HEX），这是一种通过将高熵概念——多种阳离子的随机分布——整合到范德华层状结构中形成的新一类二维材料。通过结合多组分固溶体的构型熵与二维范德华体系的可调自由度（堆叠、扭转、插层），HEX 使人们能够探索涌现的量子现象并提升催化性能，已在高熵二硫属化物、磷三硫属化物、卤化物和 MXene 中成功实现示范。

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.

研究动机与目标

• 通过将高熵合金原理与二维范德华体系相结合，建立一种新材料类别——高熵范德华材料（HEX）。
• 通过实现具有高比表面积的二维形态，解决块体高熵材料在催化与表面应用中的局限性。
• 探索二维体系中局部无序（多元素取代）与全局结构自由度（堆叠、扭转、插层）之间的相互作用。
• 展示 HEX 材料的设计与发现，包括高熵二硫属化物、磷三硫属化物、卤化物和 MXene。
• 通过可控的结构工程，突出 HEX 在涌现量子现象与先进催化应用方面的潜力。

提出的方法

• 采用‘中国跳棋’设计策略，使多种金属阳离子在二维晶格的结构单元（如八面体、棱柱体）中随机分布。
• 使用特征结构单元（如 AB3、AB4、AB6）作为构建模块，以描述和设计高熵二维体系中的短程有序结构。
• 将多组分固溶体的构型熵与范德华材料的本征自由度（堆叠顺序、扭转角、插层物种）相结合。
• 利用范德华材料的二维特性，实现可剥离性与表面敏感应用，同时保持高构型熵。
• 采用先进表征技术（如电子显微镜、X射线衍射、光谱分析）确认阳离子的随机分布与结构完整性。
• 应用理论框架模拟二维与三维体系中的熵贡献，通过公式 S2D = 2kB ln Ω 量化熵亏损及其补偿机制。

实验结果

研究问题

• RQ1 高熵概念如何成功地从三维块体合金扩展到二维范德华材料，从而形成一类新材料？
• RQ2 在 HEX 中，主导的自由度是什么，使其能够调控电子、磁性与催化性能？
• RQ3 二维限域效应如何影响高熵体系的构型熵与稳定性，相较于三维块体材料有何差异？
• RQ4 在二维晶格中，多种阳离子的随机分布是否能引发涌现的量子现象，如超导性或金属-绝缘体转变？
• RQ5 结构工程（堆叠、扭转、插层）在多大程度上可增强高熵二维材料的催化性能？

主要发现

• 高熵范德华材料（HEX）已在多个家族中成功合成，包括高熵二硫属化物、磷三硫属化物、卤化物和 MXene。
• 在近乎规则的二维晶格上，多种金属阳离子的随机分布提供了一个灵活的平台，用于研究超导性、磁性与金属-绝缘体转变中的关联效应。
• HEX 的二维特性导致其熵相比三维高熵体系存在约 33% 的熵亏损，该亏损可通过堆叠无序、插层与结构涨落得到补偿。
• 将局部构型熵与全局结构自由度（堆叠、扭转、插层）相结合，实现了物理与化学性质前所未有的可调性。
• HEX 材料因高密度的活性位点与多组分固溶体带来的可调电子结构，表现出增强的催化性能。
• 结构单元方法（如八面体、棱柱体、三角形）为描述与设计新型 HEX 材料提供了稳健框架，类似于乐高式组装功能化的二维构建单元。