Исследователи впервые измерили истинные свойства отдельных чешуек MXene — нового наноматериала, который может улучшить батареи, гибкую электронику и устройства для получения чистой энергии.
Используя новую методику, основанную на свете, называемую спектроскопической микроэллипсометрией, они обнаружили, как ведут себя MXenes на уровне отдельных чешуек. Это позволило выявить изменения в проводимости и оптическом отклике, которые ранее были скрыты при изучении только слоёв MXene. Этот прорыв предоставляет фундаментальные знания и инструменты, необходимые для создания более умных и эффективных технологий на основе MXenes.
Что такое MXenes?
MXenes — это ультратонкие материалы толщиной всего в несколько атомов, известные своей способностью проводить электричество, накапливать энергию и взаимодействовать со светом. Однако до сих пор большинство исследований рассматривали MXenes в виде тонких плёнок, состоящих из множества перекрывающихся чешуек. Такой подход, хотя и полезен, скрывал уникальные свойства отдельных чешуек, оставляя без ответа вопросы об их истинном потенциале.
Новое исследование
Новое исследование было проведено под руководством доктора Андреаса Фурчнера из Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) совместно с доктором Ральфи Кеназом из Института физики Еврейского университета (HUJI). Оно впервые показало, как ведут себя отдельные чешуйки MXene при изоляции и изучении на наноуровне. Результаты были недавно опубликованы в ACS Nano.
Эллипсометрия
Эллипсометрия — один из самых передовых неинвазивных оптических методов для характеристики материалов. Однако обычные эллипсометры не могут измерять области размером меньше 50 микрон — примерно ширины человеческого волоса, что делает их непригодными для анализа микроскопических структур, распространённых в современных технологиях и исследованиях.
Спектроскопическая микроэллипсометрия (SME)
Для решения этой проблемы исследователи использовали усовершенствованную запатентованную методику, которую они разработали и назвали спектроскопической микроэллипсометрией (SME). Это позволило им измерить оптические, структурные и электронные свойства отдельных чешуек MXene с высоким боковым разрешением и без их повреждения.
В исследовании индивидуальные чешуйки MXene различной толщины были синтезированы в HZB и отправлены в HUJI для измерений SME. Дополнительные наномасштабные измерения были выполнены в Наноцентре HUJI, а все анализы данных проводились совместно обеими группами.
Осветив отдельные чешуйки MXene толщиной в один молекулярный слой и проанализировав, как этот свет отражается обратно, исследователи составили карту того, как способность материала проводить электричество и взаимодействовать со светом меняется в зависимости от толщины и структурных свойств. Они обнаружили, что по мере того, как чешуйки MXene становятся тоньше, их электрическое сопротивление увеличивается — это важное понимание для создания надёжных высокопроизводительных устройств.
Метод оказался настолько точным, что сопоставим с инструментами наномасштабной визуализации, такими как атомно-силовая микроскопия (AFM) и сканирующая просвечивающая электронная микроскопия (STEM), подтверждая его эффективность как неинвазивного диагностического инструмента.
Доктор Фурчнер из Helmholtz-Zentrum Berlin, который привнёс свой обширный опыт в области эллипсометрии в область MXene, отметил: «Измерение того, как отдельные чешуйки MXene деполяризуют свет, позволило нам точно определить структурные внутричешуйчатые вариации толщины на наноуровне. Мы были рады увидеть, насколько хорошо результаты соответствуют деструктивным методам, таким как STEM».
Доктор Кеназ из Еврейского университета, разработчик и соавтор метода SME, сказал: «Что действительно впечатляет в этой работе, так это то, что менее чем за минуту мы можем напрямую измерить оптические свойства, толщину, структурные свойства и проводимость отдельных чешуек MXene — всё это неразрушающим способом. Обычно эти измерения требуют трёх разных инструментов, занимают много времени и являются разрушительными, а в итоге не такими надёжными, как спектроскопическая микроэллипсометрия».
Доктор Пти из Helmholtz-Zentrum Berlin объяснил: «Это открывает новые области исследований для характеризации в процессе работы, которые ранее были возможны только с помощью синхротронных методов, таких как СТXM (сканирующая просвечивающая рентгеновская микроскопия). Теперь у нас есть новый высокоэффективный метод для понимания того, как MXenes эволюционируют в различных средах — лабораторный инструмент, который дополняет эксперименты по рентгеновской визуализации, например».
Применение MXenes
MXenes исследуются для широкого спектра применений — от сверхбыстрых батарей и систем очистки воды до гибкой электроники и получения солнечной энергии. Понимание того, как материал ведёт себя на уровне отдельных чешуек, имеет важное значение для проектирования устройств, которые будут одновременно эффективными и масштабируемыми.
Профессор Рапапорт из Еврейского университета добавил: «Эта работа представляет собой дорожную карту для интеграции MXenes в реальные технологии, предлагая прямой взгляд на их внутренние свойства без помех от слоёв или примесей. Уточняя методы изучения этих материалов с помощью нашей методики SME, мы прокладываем путь для их использования в оптоэлектронных устройствах, энергетических решениях и не только».
Исследование не только открывает фундаментальные знания о MXenes, но и устанавливает спектроскопическую микроэллипсометрию как новый стандарт для анализа двумерных материалов. Благодаря этому прорыву учёные во всём мире вскоре могут получить возможность исследовать другие новые наноматериалы таким же образом.
Как заключил доктор Пти из Helmholtz-Zentrum Berlin: «Это мощная демонстрация того, как международное сотрудничество и передовые физические исследования могут ускорить развитие материаловедения. MXenes — это только начало».