La spectrométrie de masse des ions secondaires révèle les atomes qui composent les MXènes et leurs matériaux précurseurs


La spectrométrie de masse des ions secondaires révèle les atomes qui composent les MXènes et leurs matériaux précurseurs

Une nouvelle technique utilisant la spectrométrie de masse à ions secondaires a donné aux chercheurs de Drexel un nouveau regard sur les matériaux bidimensionnels qu’ils étudient depuis plus d’une décennie. Crédit photo : Université Drexel

Depuis la première découverte en 2011 d’une famille en croissance rapide de matériaux en couches bidimensionnels – surnommés – les chercheurs de l’Université Drexel ont fait progrès constants dans la compréhension de leur composition et structure chimiques complexes, ainsi que de leurs propriétés physiques et électrochimiques. de ces matériaux extraordinairement polyvalents. Plus d’une décennie plus tard, des instruments avancés et une nouvelle approche ont permis à l’équipe de scruter les couches atomiques pour mieux comprendre le lien entre la forme et la fonction des matériaux.

Dans un article récent de nanotechnologie de la natureDes chercheurs du Drexel College of Engineering et de l’Institut de technologie de Varsovie et de l’Institut de microélectronique et de photonique en Pologne ont rapporté une nouvelle façon d’étudier les atomes qui composent les MXènes et leurs matériaux précurseurs, les phases MAX, en utilisant une technique appelée spectrométrie de masse à ions secondaires. Ce faisant, le groupe a découvert des atomes dans des endroits où ils n’étaient pas attendus et des imperfections dans les matériaux bidimensionnels qui pourraient expliquer certaines de leurs propriétés physiques uniques. Ils ont également révélé l’existence d’une toute nouvelle sous-famille de MXènes appelés oxycarbures, des matériaux bidimensionnels dans lesquels jusqu’à 30 % des atomes de carbone sont remplacés par de l’oxygène.

Cette découverte permettra aux chercheurs de construire de nouveaux MXènes et d’autres nanomatériaux aux propriétés accordables les mieux adaptées à des applications spécifiques, des antennes pour les communications sans fil 5G et 6G et des boucliers d’interférence électromagnétique ; aux filtres pour la production, le stockage et la séparation de l’ ; aux reins portables pour les patients dialysés.

« Une meilleure compréhension de la structure et de la composition détaillées des matériaux bidimensionnels nous permettra de libérer leur plein potentiel », a déclaré Yury Gogotsi, Ph.D., professeur distingué de l’université et du collège Bach, qui a dirigé la recherche de caractérisation MXene. « Nous avons maintenant une image plus claire de la raison pour laquelle les MXenes se comportent comme ils le font et peuvent adapter leur structure, et donc leur comportement, pour de nouvelles applications importantes. »

La spectrométrie de masse des ions secondaires (SIMS) est une technique couramment utilisée pour étudier les surfaces solides et les films minces et la façon dont leur chimie change avec la profondeur. Il fonctionne en projetant un faisceau de particules chargées sur un échantillon, qui bombarde les atomes à la du matériau et les éjecte – un processus appelé pulvérisation. Les ions éjectés sont détectés, collectés et identifiés par leur masse et servent d’indicateur de la composition du matériau.

Alors que le SIMS a été utilisé au fil des ans pour étudier les matériaux multicouches, la résolution en profondeur lors du sondage de la surface d’un matériau (plusieurs angströms) a été limitée. Une équipe dirigée par Pawel Michalowski, Ph.D., de l’Institut polonais de microélectronique et de photonique, a apporté un certain nombre d’améliorations à la technique, notamment en ajustant l’angle et l’énergie du faisceau, la façon dont les ions éjectés sont mesurés ; et nettoyer la surface des échantillons, ce qui leur a permis d’atomiser les échantillons couche par couche. Cela a permis aux chercheurs de visualiser l’échantillon avec une résolution au niveau atomique qui n’était pas possible auparavant.

« La technique la plus proche de l’analyse des films minces et des surfaces de MXènes est la spectroscopie photoélectronique à rayons X, que nous, chez Drexel, utilisons depuis la découverte du premier MXene », a déclaré Mark Anayee, doctorant dans le groupe de Gogotsi. « Alors que XPS nous permettait uniquement de regarder la surface des matériaux, SIMS nous permet d’analyser les couches souterraines. Cela nous permet de « retirer » exactement une couche d’atomes à la fois sans perturber ceux qui se trouvent en dessous, nous donnant une image beaucoup plus claire qui ne serait pas possible avec toute autre technique de laboratoire. »

Alors que l’équipe enlevait la couche supérieure d’atomes, comme un archéologue fouillant soigneusement une nouvelle découverte, les chercheurs ont commencé à discerner les caractéristiques subtiles de la structure chimique dans les couches de matériau, révélant la présence et le positionnement inattendus des atomes, ainsi que divers défauts et imperfections.

« Nous avons démontré la formation de MXènes contenant de l’oxygène, appelés oxycarbures. Cela représente une nouvelle sous-famille de MXenes – ce qui est une grande découverte », a déclaré Gogotsi. « Nos résultats suggèrent que pour chaque carbure MXène, il existe un oxycarbure MXène dans lequel l’oxygène remplace certains atomes de carbone dans la structure du réseau. »

Parce que MAX et MXene représentent une grande famille de matériaux, les chercheurs ont étudié des systèmes plus complexes impliquant plusieurs éléments métalliques. Ils ont fait plusieurs observations révolutionnaires, notamment le mélange d’atomes dans le carbure de titane et de chrome MXène – que l’on croyait auparavant séparés en couches distinctes. Et ils ont confirmé les découvertes précédentes, telles que la séparation complète des atomes de molybdène des couches externes et des atomes de titane des couches internes dans le carbure de molybdène-titane.

Selon Gogotsi, toutes ces découvertes sont importantes pour développer MXene avec une structure finement ajustée et des propriétés améliorées.

« Nous pouvons désormais non seulement contrôler l’ensemble de la composition élémentaire des MXènes, mais également savoir dans quelles couches atomiques se trouvent certains éléments tels que le carbone, l’oxygène ou les métaux », explique Gogotsi. « Nous savons que l’élimination de l’oxygène contribue à augmenter la stabilité environnementale du carbure de titane MXene et à augmenter sa conductivité électronique. Maintenant que nous comprenons mieux la quantité d’oxygène supplémentaire contenue dans les matériaux, nous pouvons en quelque sorte ajuster la recette, produire des MXènes qui n’en ont pas et être ainsi plus stables dans l’environnement. »

L’équipe prévoit également d’explorer des moyens de séparer les couches de chrome et de titane, ce qui les aidera à concevoir des MXènes aux propriétés magnétiques attrayantes. Et maintenant que la technique SIMS s’est avérée efficace, Gogotsi prévoit de l’utiliser dans de futures recherches, y compris son récent effort de recherche de 3 millions de dollars du Département américain de l’énergie sur les MXenes pour le stockage de l’hydrogène – une étape majeure vers le développement d’une nouvelle source d’énergie technologique durable. .

« À bien des égards, l’étude des MXenes a innové au cours de la dernière décennie », a déclaré Gogotsi. « Avec cette nouvelle approche, nous avons de meilleures indications sur où chercher de nouveaux matériaux et applications. »


Paillettes de carbure de titane obtenues par gravure sélective de titane carbure de silicium


Plus d’information:
Paweł P. Michałowski et al, Identification des phases oxycarbure MXènes et MAX par analyse monoatomique couche par couche avec spectrométrie de masse d’ions secondaires à ultra-basse énergie, nanotechnologie de la nature (2022). DOI : 10.1038/s41565-022-01214-0

Fourni par l’Université Drexel

Citation: La spectrométrie de masse d’ions secondaires révèle des atomes comprenant du MXène et leurs matériaux précurseurs (23 septembre 2022) Extrait le 23 septembre 2022 de https://phys.org/news/2022-09-secondaire-ion-mass-spectrométrie – révèle. html

Ce document est protégé par le droit d’auteur. Sauf pour le commerce équitable à des fins d’étude ou de recherche privée, aucune partie ne peut être reproduite sans autorisation écrite. Le contenu est uniquement à des fins d’information.

Laisser un commentaire