单层2D过渡金属碳化物生长机制的原子原位观察

shenhuhu

过去十几年已经见证了二维（2D）材料的快速发展，由于其独特的性能，使其可以广泛地应用于很多领域。二维过渡金属碳化物（TMCs）有望成为各种应用的候选材料（MXene），包括电磁屏蔽、储能、超级电容器、催化剂、光电子、传感器、医药以及二维电子器件的电极等。MXene是一类新型二维材料，其中M指前过渡金属，X是碳或氮。与石墨烯和过渡金属二硫化物（TMDs）相似，TMC的合成也可采用自下而上（如化学气相沉积）或自上而下（如化学剥离）法来完成。同自上而下法相比，自下而上法可以实现大规模、高质量的二维材料生长，同时也提供更多的方法来调控异质结用于电子器件和光电子器件等领域。然而，直到现在，尽管理论上已经预测自下而上法可以用于合成单层TMC，但实验方面并未成功。CVD法已经被用于合成超薄Mo2C和其他碳化物，但这些材料的厚度均超过3 nm。为了开发大规模合成工艺用于制备原子厚度的TMC层，探索合适的衬底及理解衬底与TMC之间的相互作用至关重要。

近日，美国橡树岭国家实验室的Raymond R. Unocic教授在Nature Communications上发表题为“In situ atomistic insight into the growth mechanisms of single layer 2D transition metal carbides”的研究论文。文中通过原位扫描透射电子显微镜（STEM）研究了单层Ti3C2衬底上原位同质外延生长六方TiC（h-TiC）TMC单层薄片，并成功制备出新型二维（2D）材料Ti4C3和Ti5C4，而且直接洞悉了Ti3C2 MXene衬底上合成TiC单吸附层的同质Frank-van der Merwe原子层生长机理，其类似于2D材料的分子束外延（MBE）生长。维持外延生长的原子源是Ti和C吸附原子，它们从Ti3C2薄片（生长衬底）上迁移到单层Ti3C2的六方Ti（h-Ti）表面。结合密度泛函理论、力偏移蒙特卡洛模拟/分子动力学模拟等阐明了单TiC吸附层的生长机理以及控制原子迁移和扩散的能量。