Nieuwe familie van atoomdunne elektrodematerialen ontdekt

Home > Media > Nieuwe familie atomair-dunne elektrodenmaterialen ontdekt

Gele isosurfaces op het linkerpaneel geven elektronen aan die zich tussen de C3-trimeren bevinden. De geïoniseerde structuur aan de rechterkant bevat geen gevangen elektronen en sommige M-atomen zijn grotendeels verplaatst. Deze verplaatsing van de M-atomen stabiliseert opnieuw aanzienlijk de geïoniseerde structuur. CREDIT
Soungmin Bae en Hannes Raebiger

Abstract:
Een verkennend onderzoek naar het gedrag van materialen met gewenste elektrische eigenschappen resulteerde in de ontdekking van een structurele fase van tweedimensionale (2D) materialen. De nieuwe familie van materialen zijn elektroden, waarbij elektronen een ruimte innemen die gewoonlijk gereserveerd is voor atomen of ionen, in plaats van rond de kern van een atoom of ion te draaien. De stabiele, energiezuinige, afstembare materialen zouden potentiële toepassingen in nanotechnologieën kunnen hebben.

Nieuwe familie van atomair dunne elektrodenmaterialen ontdekt

Yokohama, Japan | Geplaatst op 11 juni 2021

Het internationale onderzoeksteam, onder leiding van Hannes Raebiger, universitair hoofddocent bij de afdeling natuurkunde van de Yokohama National University in Japan, publiceerde hun resultaten op 10 juni als frontispice in Advanced Functional Materials.

Aanvankelijk wilde het team de fundamentele eigenschappen van een 2D-systeem dat bekend staat als Sc2CO2 beter begrijpen. Het systeem bevat twee atomen metallisch scandium, één koolstofatoom en twee zuurstofatomen en behoort tot een familie van chemische verbindingen die gezamenlijk MXenen worden genoemd. Ze zijn doorgaans samengesteld uit een koolstof- of stikstoflaag van één atoom dik, ingeklemd tussen metaallagen, bezaaid met zuurstof- of fluoratomen.

De onderzoekers waren vooral geïnteresseerd in MXene Sc2CO2 vanwege de voorspellingen dat het systeem, indien gestructureerd in een hexagonale fase, de gewenste elektrische eigenschappen zou hebben.

“Ondanks deze fascinerende voorspellingen van hexagonale fasen van Sc2CO2 zijn we ons nog niet bewust van de succesvolle fabricage ervan”, zegt Soungmin Bae, eerste auteur en onderzoeker bij de afdeling natuurkunde van de Yokohama National University. “Door de fundamentele eigenschappen ervan te analyseren, ontdekten we een compleet nieuwe structurele fase.”

De nieuwe structurele fase resulteert in nieuwe elektrodematerialen. De atomair dunne 2D-structurele fase wordt beschreven als betegelde vormen die het centrale koolstofvlak vormen. De eerder voorspelde vorm was een zeshoek, met een koolstofatoom op elk hoekpunt en één in het midden. De nieuwe materialen hebben een ruitachtige vorm, met elektronen op de hoekpunten en een koolstoftrimeer – drie koolstofatomen op rij – in het midden.

“Koolstof is een van de meest voorkomende materialen op onze planeet, en heel belangrijk voor levende wezens, maar het wordt bijna nooit als trimeren aangetroffen”, zegt Raebiger. “De dichtstbijzijnde plaats waar doorgaans koolstoftrimeren worden aangetroffen, is de interstellaire ruimte.”

De algehele vorm is minder symmetrisch dan de eerder beschreven zeshoekige structuur, maar is meer symmetrisch ten opzichte van het centrale vlak. Deze structuur biedt unieke kenmerken vanwege het verschijnen van de nieuwe familie van elektroden, aldus Raebiger.

“Elektriden bevatten elektronen als structurele eenheid en zijn vaak extreem goede elektrische geleiders”, zegt Raebiger. “De huidige familie van elektroden zijn isolatoren, en hoewel de meeste isolatoren geleidend kunnen worden gemaakt door elektronen toe te voegen of te verwijderen, worden deze materialen simpelweg beter isolerend.”

MXenen zijn bijzonder aantrekkelijk als materiaal, omdat ze opnieuw kunnen worden geconfigureerd met andere metalen elementen om een overvloed aan eigenschappen te bieden, waaronder instelbare geleidbaarheid, verschillende vormen van magnetisme en/of het versnellen van chemische reacties als katalysatoren. Bovendien zijn het ultradunne platen van slechts een paar atomen dik, dat wil zeggen 2D-materialen. De nieuw ontdekte elektroden hebben elektronen in roosterruimten tussen atomen en ionen, die gemakkelijk in de omringende ruimte kunnen worden uitgezonden, zoals de elektronenbronnen voor grote deeltjesversnellers, maar ook kunnen worden geleend om een specifiek gewenste chemische reactie te katalyseren.

“We hebben deze ontdekking gedaan omdat we wilden begrijpen hoe deze materialen beter werken”, zegt Bae. “Als je iets tegenkomt dat je niet begrijpt, graaf dan dieper.”

Co-auteurs zijn onder meer William Espinosa-García en Gustavo M. Dalpian, Centro de Ciências Naturais e Humanas, Universidade Federal do ABC, Brazilië; Yoon-Gu Kang en Myung Joon Han, Departement Natuurkunde, Korea Advanced Institute of Science and Technology; Juho Lee en Yong-Hoon Kim, afdeling Elektrotechniek, Korea Advanced Institute of Science and Technology; Noriyuki Egawa, Kazuaki Kuwahata en Kaoru Ohno, afdeling natuurkunde aan de Yokohama National University; en Mohammad Khazaei en Hideo Hosono, Materials Research Center for Element Strategy, Tokyo Institute of Technology. Espinosa-García is ook aangesloten bij Grupo de investigación en Modelamienot y Simulación Computacional, Facultad de Ingenierías, Universidad de San Buenaventura-Medellín.

De Iwaki Scholarship Foundation; Onderzoeksstichting São Paulo; Korea's National Research Foundation, Ministerie van Wetenschap en ICT en Ministerie van Onderwijs; KAIST (voorheen het Korea Advanced Institute of Science and Technology); en Samsung Research Funding & Incubation Center van Samsung Electronics financierden dit werk.

####

Over Yokohama National University
Yokohama National University (YNU of Yokokoku) is een Japanse nationale universiteit opgericht in 1949. YNU biedt studenten praktisch onderwijs, waarbij gebruik wordt gemaakt van de brede expertise van haar faculteit en vergemakkelijkt de betrokkenheid bij de mondiale gemeenschap. De kracht van YNU in het academisch onderzoek van praktische toepassingswetenschappen leidt tot publicaties met hoge impact en draagt bij aan internationaal wetenschappelijk onderzoek en de mondiale samenleving.

Voor meer informatie, klik hier

Kontakte:
Akiko Tsumura

Auteursrecht © Yokohama Nationale Universiteit

Als u een opmerking heeft, alstublieft Neem contact op met ons op.

Uitgevers van nieuwsberichten, niet 7th Wave, Inc. of Nanotechnology Now, zijn zelf verantwoordelijk voor de juistheid van de inhoud.

Bladwijzer: