Forskere skaber den første 2D-elektride

(Phys.org) – Forskere har bragt elektrider ind i nanoregimet ved at syntetisere det første 2D-elektridemateriale. Elektroder er ioniske forbindelser, som er lavet af negative og positive ioner. Men i elektrider, de negative "ioner" er simpelthen elektroner, uden kerne. Elektronerne er meget tæt på hinanden og meget løst bundet, får dem til at fungere som en elektrongas. Denne elektrongas giver elektrider visse elektriske egenskaber, høj elektrisk mobilitet og hurtig elektrisk transport, som er meget attraktive til elektronikapplikationer.

Forskerne, ledet af Scott C. Warren, en assisterende professor i anvendt fysisk videnskab og kemi ved University of North Carolina i Chapel Hill, har udgivet et papir om demonstrationen af ​​2D-elektriden i et nyligt nummer af Journal of the American Chemical Society .

"Layered electrides har meget spændende elektroniske egenskaber - f.eks. en ledningsevne meget større end grafens, " fortalte Warren Phys.org . "I krystalstrukturen af ​​en lagdelt elektride, en sky af elektroner er spredt ud i et fladt to ångstrøm tykt plan mellem atomplader. Elektronerne kan lede gennem den flade sky med få vekselvirkninger med nærliggende atomer, så de kan bevæge sig meget hurtigt."

I deres undersøgelse, forskerne viste, at de definerende træk ved elektrider – især, elektrongassen og dens egenskaber - bevares, når en lagdelt elektrid kaldet dicalciumnitrid (Ca ₂ N) syntetiseres i todimensional, enkeltlagsform. Værket markerer den første syntese af en 2D-elektride.

"Vi har isoleret et par lag af krystallen, måske lige så tynd som en nanometer til flere nanometer, " sagde Warren. "På grund af dens tynde, dette materiale kaldes et 2D-materiale, som grafen. En elektride som et 2D-materiale var blevet forudsagt at være stabil i vakuum og at bevare sine spændende elektroniske kvaliteter ved teoretiske beregninger, men materialet er meget reaktivt, og det var et åbent spørgsmål, om 2D Ca ₂ N kunne laves i laboratoriemiljøer. Vi viste, at i det rigtige kemiske miljø, materialet er stabilt i lange perioder uden at gå på kompromis med dets spændende elektroniske egenskaber."

Som forskerne forklarede, at adskille flerlagselektriden i dets individuelle lag var udfordrende, da elektrider har stærke elektrostatiske interaktioner, der holder deres lag sammen. Elektrider har også en høj kemisk reaktivitet, som yderligere komplicerer sagerne, forhindrer brugen af ​​"Scotch-tape-metoden" til eksfoliering, da elektrider nedbrydes, når de kommer i kontakt med visse klæbemidler.

I stedet, forskerne brugte flydende eksfoliering, som bruger kemiske reaktioner til at producere et stort antal nanoark suspenderet i opløsning. Efter at have testet 30 opløsningsmidler, forskerne fandt et opløsningsmiddel, hvori Ca ₂ N nanoark forbliver i en stabil suspension i mindst en måned.

Tests viste, at 2D-elektride nanopladerne har høj elektrisk ledningsevne, der kan sammenlignes med aluminiummetal, høj gennemsigtighed (en 10 nm tyk film transmitterer 97 % af lyset), og - på grund af 2D-formen - det højeste overfladeareal for enhver elektride, der er rapporteret til dato. Ved at kombinere det høje overfladeareal af 2D-materialer med de usædvanlige elektriske egenskaber ved elektrider, forskerne forventer, at 2D-elektriden vil føre til mange flere opdagelser i fremtiden. Potentielle anvendelser omfatter gennemsigtige ledere, batteri elektroder, elektronemittere, og katalysatorer til kemisk syntese.

"Den potentielle anvendelse, der begejstrer os mest, er i avancerede batterier, som er fokus for vores nuværende samarbejde med Honda Research Institute, " sagde Warren. "Der er også andre spændende potentielle applikationer, for eksempel som transparente ledende film. Fra et akademisk perspektiv, dette arbejde åbner syntetiske ruter til at studere 2D-elektrider eksperimentelt og til at teste potentielle applikationer, som vi ikke engang har overvejet endnu."

I fremtiden, forskerne planlægger at udforske de potentielle anvendelser af elektrider yderligere og løse de praktiske udfordringer ved at realisere dem.

"Vi har meget at lære om elektrider som 2D-materialer, " sagde Warren. "F.eks. hvordan kan vi belægge eller funktionalisere overfladen for at gøre elektrider stabile i luft?"

© 2017 Phys.org