Oprettelse af todimensionel lagdelt Zintl-fase ved dimensionel manipulation af krystalstrukturen

Opdagelsen af ​​nye familier af todimensionale (2-D) lagdelte materialer ud over grafen har altid tiltrukket stor opmærksomhed, men det er fortsat udfordrende at kunstigt genskabe bikagens atomgitterstruktur med multikomponenter såsom sekskantet bornitrid i laboratoriet. I en ny undersøgelse nu offentliggjort den Videnskab fremskridt , Junseong Song og kolleger på institutterne for energividenskab, Nanostrukturfysik, Miljøvidenskab og materialevidenskab i Republikken Korea udviklede en hidtil uset struktur i Zintl -fasen.

De konstruerede materialet ved at stikke sp ² -hybridiserede honeycomb ZnSb -lag og via den dimensionelle manipulation af en krystalstruktur fra sp ³ -hybridiseret 3-D-ZnSb-tilstand. Materialeforskerne kombinerede strukturanalyse med teoretiske beregninger for at danne en stabil og robust lagdelt struktur af 2-D-ZnSb. Dette fænomen bi-dimensionel polymorfisme blev ikke tidligere observeret ved omgivelsestryk i Zintl-familier. Derfor, det nye arbejde giver en rationel designstrategi til at søge og skabe nye 2-D lagdelte materialer i forskellige forbindelser. De nye resultater tillader ubegrænset udvidelse af 2-D-biblioteker og deres tilsvarende fysiske egenskaber.

Fremkomsten af ​​Dirac fysik af grafen udløste en eksplosiv interesse for forskning i todimensionale (2-D) materialer med forskellige anvendelser inden for elektronik, magnetik, energi og kemi til kvantefysik. På nuværende tidspunkt, 2-D forskning er primært fokuseret på et par 2-D materialer, der indeholder et enkelt eller flere atomlag eksfolieret fra deres moderforbindelser, i modsætning til 2-D atomkrystaller såsom silikone. Dette kan begrænse metoden til udvikling af 2-D materialer til to metoder til eksfoliering og kemisk dampaflejring. Det er derfor meget ønskeligt at udvide forskning i 2-D-materialer for kunstigt at skabe et nyt 2-D-materiale med en ny syntetisk tilgang og danne en række materialegrupper.

Ved opdagelse af nye materialer, transformation af en krystalstruktur er en almindeligt anerkendt nøglefaktor. Hvor temperatur-tryk og elektrostatisk-doping induceret strukturelle faseovergange er kernen for at udforske en ny krystalstruktur eller for at skifte 2-D materiales egenskaber. For eksempel, de fleste overgangsmetalldichalcogenider udviser polymorf faseovergang for at få adgang til iboende forskellige egenskaber, herunder superledende og topologiske tilstande. Overgangen har ført til lovende applikationer, herunder elektronisk homojunction, fotoniske hukommelsesenheder og katalytiske energimaterialer.

Disse polymorfe overgange forekom kun mellem forskellige lagdelte strukturer i de samme to dimensioner og skal stadig realiseres mellem forskellige dimensioner af en krystalstruktur ved omgivelsestryk. For at nå den ultimative krystalteknik og ændre den strukturelle dimension af multikomponentforbindelser er en lovende næste grænse inden for materialevidenskab ud over allotroperne af kulstof.

I det nuværende arbejde, Song et al. etableret todimensionel polymorfisme via opdagelsen af ​​2-D lagdelte strukturer i Zintl-faser indeholdende et stort antal kemiske sammensætninger. På grund af sp ² hybrid orbitalbinding af bikagestrukturerede 2-D atomkrystaller såsom grafen og hexagonal bornitrid, forskerne forventede de 3D-strukturerede Zintl-faser (med sp ³ hybrid orbital binding) for at transformere til sp ² honeycomb strukturerede 2-D lagdelte materialer, såvel, via elektronoverførsel. Som et bevis-på-koncept, Song et al. valgte en 3-D orthorhombic ZnSb (3-D-ZnSb) Zintl-fase og skabte den hidtil usete, 2-D lagdelt struktur af ZnSb (2-D-ZnSb).

I den nye metode, Song et al. første syntetiserede lagdelte AZnSb (2-D-AZnSb) ternære forbindelser; hvor A refererede til et alkalimetal såsom Na, Li og K. Materialerne indeholdt en lagdelt struktur af ZnSb ved at transformere 3-D-ZnSb via A-legering, selvom faserne uafhængigt kunne syntetiseres. Song et al. udført selektiv ætsning af A-ioner for at skabe 2-D-ZnSb i to forskellige processer, herunder (1) kemisk reaktion i deioniserede vand-inkorporerede opløsninger, og (2) elektrokemisk ion-ætsningsreaktion i alkalibaseret elektrolyt.

For eksempel, de syntetiserede det polykrystallinske og enkeltkrystallinske 2-D-LiZnSb-mellemlag ved først at legere Li i polykrystallinsk 3-D-ZnSb, efterfulgt af Li-ion-ætsning til dannelse af en 2-D-ZnSb-krystal. Forskerne rensede let de Li-ætsede 2-D-ZnSb-krystaller ved hjælp af klæbebåndsfoliering som mekanisk spaltning for at udvise en typisk flad overflade som rapporteret for 2-D-materialer.

For at forstå effekten af ​​fremstillingsprocessen, de undersøgte rollen som Li legering og ætsning på strukturelle transformationer ved hjælp af røntgenfotoelektronspektroskopi (XPS) målinger for at afsløre forskellen mellem 2-D og 3-D krystaller. For yderligere at validere deres fund, Song et al. brugte røntgendiffraktionsspektroskopi (XRD) mønstre, transmissionselektronmikroskopi (TEM) observationer og scanning tunneling elektronmikroskopi (STEM) kombineret med energispredende spektroskopi (EDS) elementær kortlægning for at bekræfte atomstrukturen af ​​2-D-ZnSb.

Baseret på resultaterne, forskerne fortolkede de strækbare mellemlagsafstande mellem både Zn-Zn og Sb-Sb-atomer som svage mellemlagsbindinger og verificerede, at 2-D-ZnSb kunne eksfolieres som et lagdelt materiale. Den nyudviklede lagdelte struktur af 2-D-ZnSb i det nuværende arbejde, afsluttede den første opdagelse af todimensionel polymorfisme i Zintl -faser ved omgivelsestryk.

Derfor, Song et al. manipuleret sp ³ -hybridiseret bindingstilstand i 3-D-ZnSb ind i sp ² tilstand i 2-D-ZnSb bikagegitter. Tidligere undersøgelser af polymorfe overgange mellem 3-D og 2-D strukturer i Zintl faser blev kun observeret under højt tryk. De foreliggende resultater om todimensionel polymorfisme mellem 3-D-ZnSb og 2-D-ZnSb understregede potentialet og bred tilgængelighed af en sådan elektronoverførsel til at transformere krystalstrukturen.

Song et al. næste undersøgte elektriske transportegenskaber ved todimensionale ZnSb-polymorfer og 2-D-LiZnSb-krystaller sammen med første princippeberegninger af deres elektroniske energibåndsstruktur. I modsætning til den halvledende karakter af 3-D-ZnSb, både 2-D-LiZnSb og 2-D-ZnSb viste metallisk ledningsadfærd. Da de sænkede temperaturen, den elektriske mobilitet for både 2-D-LiZnSb og 2-D-ZnSb steg til en værdi, der var højere end værdien for 3-D-ZnSb. Forskerne krediterede de observerede forstørrede båndbredder for 2-D-ZnSb til den forbedrede sp ² karakter af honningkagestrukturerede lag med svækkede mellemlagsinteraktioner, der dannede halvmetallet. De brugte teoretiske beregninger til at bekræfte, at 2-D-ZnSb mekanisk kunne eksfolieres i dobbeltlaget for at eksistere i en energisk stabil form som et 2-D-materiale, mens monolaget af 2-D-ZnSb var energisk ugunstigt.

For at demonstrere strukturel transformation af todimensionale ZnSb-polymorfer under 2-D-LiZnSb-dannelse, forskerne gennemførte synkrotron XRD - under den elektrokemiske reaktion. De observerede toppe svarende til Li-legering af 3-D-ZnSb ved ren 2-D-LiZnSb-dannelse, efterfulgt af slutproduktet af 2-D-ZnSb. Under den elektrokemiske reaktion, Li-atomerne trængte selektivt ind i 3-D-ZnSb for at bryde Zn-Sb og Sb-Sb-bindingerne. På niveauet for elektronoverførsel, den hybridiserede bindingstilstand ændret sig fra sp ³ i 3-D-ZnSb til sp ² i 2-D-LiZnSb for at danne det ristede bikagegitter.

Resultatet af Li-legeringsbaseret 2-D-LiZnSb-transformation gav 2-D-ZnSb-produktet, som ikke vendte tilbage til sin 3D-form. Song et al. viste, at engang dannet, den lagdelte 2-D-ZnSb var et stabilt materiale med en bikage-arkitektur, validering af den stabile todimensionale polymorfe overgang. Forskerne forventer anvendelser af det nye materiale i bæredygtige alkali -ion -batterier.

På denne måde, Junseong Song and co-workers performed rigorous experimental and theoretical studies to demonstrate the creation of 2-D layered Zintl phases by manipulating the structural dimensionality. The new method is a first to establish the bidimensional polymorphic family in Zintl phases at ambient pressure, to allow new phase transformations as a general route of synthesis. This work provides a rational design strategy to explore new 2-D layered materials and unlock further properties of interest within materials, such as 2-D magnetism, ferroelectricity, thermoelectricity and topological states for further applications.

© 2019 Science X Network