Güçlü manyetik alanlar altında malzeme sentezinde ve hazırlanmasında ilerleme
Son zamanlarda, Katı Hal Fiziği Enstitüsü, Hefei Malzeme Bilimi Enstitüsü, Çin Bilimler Akademisi İşlevsel Malzemeler Araştırma Ofisi'nden bir araştırmacı olan Xuebin Zhu'nun araştırma ekibi ve Hefei Araştırma Enstitüsü Yüksek Manyetik Alan Bilim Merkezi, Avustralya'daki Wollongong Üniversitesi ve Katı Hal Enstitüsü'nden bir araştırmacı olan Liang Changhao gibi bir araştırma ekibi, güçlü bir manyetik alan hidrotermal yöntemini kullanarak sentezlemek için işbirliği yaptı. Oldukça kararlı saf faz 1T-MoS2 malzemesi geliştirildi ve ilgili sonuçlar tam metin olarak ACS Nano'da (DOI: 10.1021 / acsnano.8b07744) yayınlandı.
MoS2 gibi geçiş metali dikalkojen bileşiği MX2 sistemi, zengin fiziksel ve kimyasal özellikleri nedeniyle birçok alanda potansiyel olarak önemli uygulamalara sahiptir. Genel olarak konuşursak, MX2 sistemi 2H, 1T ve benzeri gibi birkaç farklı kristal faza sahiptir. Bunların arasında, 2H fazı yarı iletken bir iletken özelliktir ve termodinamik olarak kararlı bir fazdır; 1T fazı ise iyi iletken özelliklere sahip olan ve elektrokatalitik hidrojen üretimi, lityum piller, sodyum piller ve süperkapasitörler gibi enerji depolamada mükemmel olan metalik bir fazdır. Performans, ancak bu termodinamik yarı kararlı bir fazdır, bu nedenle kararlı bir saf faz 1T MoS2 hazırlamak son derece zordur. Şu anda, 1T fazlı MX2 sistemi, alkali metal interkalasyonu, mekanik soyma ve elektron enjeksiyonu gibi yöntemlerle elde edilebilir. Bununla birlikte, bu yöntemlerin heterojen metal kirliliği ve düşük verimlilik gibi bazı eksiklikleri vardır. Ayrıca bu yöntemlerle hazırlanan 1T fazı, kolay oksidasyon ve gerilme gevşemesi gibi problemler nedeniyle uzun süre stabil olarak var olamaz.
Sıcaklık ve basınçtan bağımsız bir termodinamik parametre olarak manyetik alan, malzeme sentezi ve hazırlama sürecinde çok önemli bir rol oynayabilir. Bir yandan, manyetik alan, yüksek yoğunluklu enerjiyi, temas etmeden maddenin moleküler ve atomik ölçeklerine aktarabilir, bu da karşılık gelen kimyasal bağ gevşemesine, element değer değişikliklerine, yeni fiziksel ve kimyasal değişikliklere neden olur, atomların ve moleküllerin hizalanmasını ve göçünü değiştirir vb. Malzemenin mikro yapısını ve performansını etkileyen davranış. Öte yandan, malzemenin güçlü bir manyetik alanda ürettiği manyetostatik enerji, sentez işlemi sırasında malzemenin serbest enerjisini değiştirecek, malzemenin çekirdeklenme oranını ve seçiciliğini etkileyecek, tane büyümesi için ek itici güç sağlayacak ve hatta yenisini elde edecektir. Malzeme sistemi veya yarı kararlı faz. Son yıllarda, malzemelerin güçlü manyetik alanlar altında sentezi ve hazırlanması, yeni malzemelerin geliştirilmesi için önemli bir teknik araç haline geldi.
2H-MoS2'nin 4d elektronunun eşleşmemiş elektronları yoktur ve diyamanyetiktir; 1T-MoS2'nin 4d elektronunun net bir manyetik momenti vardır. 1T ve 2H fazları arasındaki farklı manyetik özellikleri hesaba katarak, güçlü bir manyetik alan altında MoS2 sentezi sırasında farklı manyetik özelliklerin neden olduğu manyetik serbest enerji terimi, MoS2 sisteminin kristal faz mühendisliğini gerçekleştirmek için MoS2'nin kristal fazını etkili bir şekilde kontrol edebilir.
Buna dayanarak, Katı Hal Enstitüsünün fonksiyonel malzeme araştırma laboratuvarı, kendi kendine inşa edilen 10T-seviyesinde güçlü manyetik alan üzerinde hidrotermal yöntemle MoS2'nin hazırlanmasıyla ilgili araştırmaları gerçekleştirdi. Araştırma sonuçları, MoS2'nin kristal faz modülasyonunun, harici gelişmiş manyetik alan koşulu altında elde edilebileceğini göstermektedir. Uygulanan manyetik alanın şiddeti arttıkça kompozit malzemedeki 1T fazı MoS2 oranı giderek artmakta, uygulanan manyetik alan 9T olduğunda saf faz 1T-MoS2 elde edilebilmektedir. Daha da önemlisi, güçlü manyetik alan hidrotermal sentezi (manyeto-hidrotermal sentez) ile sentezlenen 1T-MoS2 oldukça kararlıdır ve bir yıl boyunca atmosfere yerleştirildikten sonra bile önemli bir bozulma görülmez. Bu yöntem, oldukça kararlı 1T faz geçiş metali dikalkojen bileşiklerinin hazırlanması için önemli bir yol sağlar.
Yukarıda bahsedilen araştırma, Ulusal Anahtar Araştırma ve Geliştirme Programı, Çin Bilimler Akademisi Hefei Araştırma Enstitüsü'nün 13. Beş Yıllık Anahtar Planı ve Çin Ulusal Doğa Bilimleri Vakfı tarafından desteklenmektedir.
Şekil 1. Farklı manyetik alan kuvvetlerinin hidrotermal senteziyle hazırlanan MoS2'nin XRD (sol) ve Raman spektrumu (sağ) sonuçları
Şekil 2. 0T hidrotermal sentezi ile hazırlanan MoS2 tek tabakasının üstten görünüşü (sol) ve yandan görünüşü (sağ) HAADF-STEM sonuçları
Şekil 3. 9T hidrotermal sentezi ile hazırlanan MoS2 tek tabakanın üstten görünüşü (solda) ve yandan görünüşü (sağda) HAADF-STEM sonuçları
Şekil 4. Farklı manyetik alan kuvvetleri ile hidrotermal sentezle hazırlanan MoS2'nin XPS (sol) ve 1T faz içeriği (sağ) sonuçları
