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自從石墨剝離成石墨烯發(fā)現(xiàn)以來，科學(xué)家希望類似石墨烯材料的合成，比如如硅烯和鍺烯以及二維化合物（如六方氮化硼）。雖然機械剝離是一個有效的制備方法，但是它需要具有特定結(jié)構(gòu)的前驅(qū)體材料，并且對于大規(guī)模生產(chǎn)可能不太適用。因此，人們開始探索化學(xué)剝離作為機械剝離的替代方法。傳統(tǒng)的機械剝離方法需要特定結(jié)構(gòu)的原材料，并且在大規(guī)模生產(chǎn)方面可能存在限制。此外，對于化學(xué)剝離，確定適合剝離的材料并進行實驗驗證是一個具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)。

成果簡介

為此，林雪平大學(xué)Johanna Rosen、Jonas Bj?rk和Jie Zhou等人開始嘗試利用計算模擬來預(yù)測適合化學(xué)剝離的材料。他們探索了從三維前驅(qū)體中剝離出二維材料的熱力學(xué)和動力學(xué)過程，并嘗試確定適合剝離的材料。以上文章以“Two-dimensional materials by large-scale computations and chemical exfoliation of layered solids”為題發(fā)表在Science上。通過計算篩選算法這種方法，他們可以預(yù)測出大量適合化學(xué)剝離的材料，并提供了一種可行的合成方法。

圖文導(dǎo)讀

圖1為計算篩選方法的示意圖。圖中的各部分結(jié)果如下：首先，從熱力學(xué)穩(wěn)定的三元數(shù)據(jù)集開始（見圖1(1)），研究者進行了拓撲篩選以識別分層材料（見圖1(2)）。然后，從這些材料中選擇出完全化學(xué)剝離有利的候選材料，進一步縮減為僅通過移除A元素才能開始初始蝕刻的材料（見圖1(3)）。接著，評估所得2D材料的動力學(xué)穩(wěn)定性（見圖1(5)）。通過該方法，研究者能夠快速而有效地發(fā)現(xiàn)新的二維材料，從而為材料科學(xué)領(lǐng)域提供了更多的選擇。此外，該方法還有助于了解化學(xué)剝離過程中的熱力學(xué)和動力學(xué)特性，為二維材料的合成和應(yīng)用提供了理論指導(dǎo)。

圖1. 計算篩選方法的示意圖

為了比較層狀材料的剝離和溶劑化自由能，研究者在圖2A和B分別展示了不帶和帶終止物的剝離自由能與溶劑化自由能之間的關(guān)系。在圖2A中研究者展示了滿足第一個標準的材料，而在圖2B中，他們確定了滿足第二標準的材料。此外在圖2A中，陰影紫色區(qū)域內(nèi)的材料符合第一個蝕刻標準，而在圖2B中，陰影綠色區(qū)域內(nèi)的材料符合第二蝕刻標準。數(shù)據(jù)點的顏色表示材料是否符合一個、兩個、三個或沒有標準?？傮w而言，研究者發(fā)現(xiàn)了85種材料符合第一個標準，63種材料符合第二標準，235種材料符合第三標準。在隨后的步驟中，共有304種材料至少符合三個標準中的一個，這為進一步研究提供了重要的信息。

圖2.?層狀材料的剝離和溶劑化自由能的比較

圖3展示了對至少符合三個化學(xué)剝離標準之一的化合物進行的分析結(jié)果。在圖中通過比較去除A元素的空位形成自由能與去除B或C元素的最小空位形成自由能，來確定化學(xué)剝離的初始步驟。圖3分為A和B兩部分，分別提供了結(jié)果的概覽和詳細信息。在圖3A中，每個數(shù)據(jù)點都反映了材料是否符合三個化學(xué)剝離標準中的哪一個，并根據(jù)預(yù)期的蝕刻行為進行了顏色編碼。當(dāng)ΔGA < 0且ΔGB,C > 0時，預(yù)測將發(fā)生A元素的選擇性蝕刻。圖3B則提供了預(yù)測將從A元素位點開始蝕刻的3D化合物的詳細信息，包括化學(xué)式和相應(yīng)的動態(tài)穩(wěn)定性。這些數(shù)據(jù)是在pH = 0和離子濃度為10^-3 mol dm^-3的條件下計算的。這有助于指導(dǎo)后續(xù)的實驗工作，驗證預(yù)測并進一步開發(fā)新型的二維材料。

圖3.?化學(xué)剝離的初始步驟，通過空位形成自由能進行演示

實驗驗證圖4表征了YRu₂Si₂在水性HF溶液中的化學(xué)剝離過程。在圖4A中表征了蝕刻前（紅色曲線）和蝕刻后（藍色曲線）的X射線衍射（XRD）圖譜。從圖中可以看出，經(jīng)過HF處理后，YRu₂Si₂的峰強度顯著減小，說明蝕刻過程導(dǎo)致了材料結(jié)構(gòu)的變化。此外，觀察到（002）峰的位置發(fā)生了向較低角度的移動，這表明了晶格的擴展，符合材料從三維到二維的轉(zhuǎn)變。另外，還觀察到新的較低角度（000l）峰的形成，進一步表明了化學(xué)剝離導(dǎo)致了材料的層狀結(jié)構(gòu)。

圖4B表征了經(jīng)過HF處理后的YRu₂Si₂粉末的掃描電子顯微鏡（SEM）圖像，可以清楚地看到，粉末顆粒呈現(xiàn)出剝離的特征，具有手風(fēng)琴狀的形態(tài)，這是典型的二維材料的特征。這進一步證實了材料在化學(xué)剝離過程中發(fā)生了層狀結(jié)構(gòu)的形成。圖4C是典型部分的透射電子顯微鏡（STEM）圖像，表征了少層Ru₂SixOy的形態(tài)。圖中可以看到，材料呈現(xiàn)出層狀的結(jié)構(gòu)，并且片之間有明顯的分離，這進一步證明了YRu₂Si₂在HF溶液中的化學(xué)剝離過程成功地形成了二維材料。

圖4.?水溶性HF溶液中YRu₂Si₂的化學(xué)剝離

結(jié)論與展望

研究者提出了一個計算篩選算法用于識別可以在酸性條件下通過選擇性蝕刻原子層而化學(xué)剝離成二維材料的分層三維化合物。實現(xiàn)其中一些預(yù)測可能需要開發(fā)量身定制的化學(xué)策略。盡管研究者的重點集中在氫氟酸中的蝕刻上，但通過引入相關(guān)的化學(xué)勢，并進行相應(yīng)的修改，將這種方法應(yīng)用于其他蝕刻劑是可以預(yù)見的。此外，通過考慮額外的數(shù)據(jù)庫并將研究者的視野擴展到三元化合物之外，可以擴展對二維材料的探索。受MXenes的啟發(fā)，如果研究和開發(fā)繼續(xù)以當(dāng)前的速度擴展，通過選擇性蝕刻獲得的二維材料可能在未來先進材料和技術(shù)的發(fā)展中發(fā)揮關(guān)鍵作用。

文獻信息

Jonas Bj?rk et al. ,Two-dimensional materials by large-scale computations and chemical exfoliation of layered solids.Science383,1210-1215(2024).DOI:10.1126/science.adj6556

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