Onderzoekers van het Korea Advanced Institute of Science and Technology hebben een methode ontwikkeld om de moleculaire distributie van het nanomateriaal MXene te voorspellen met behulp van zijn magnetoweerstandseigenschappen, waardoor de weg wordt vrijgemaakt voor vereenvoudigde kwaliteitscontrole en massaproductie. Deze studie belicht ook de diverse toepassingen van MXene op basis van Hall-verstrooiingscoëfficiënten. De onderzoekers ontwikkelden een analytisch model met behulp van de magnetische transporteigenschappen van moleculen die aan het MXene-oppervlak zijn bevestigd. De opzet van een prestatievoorspellings- en classificatiesysteem zal naar verwachting nuttig zijn bij het produceren van MXenen van uniforme kwaliteit.
MXene, ontwikkeld in 2011, is een tweedimensionaal nanomateriaal met afwisselende metaal- en koolstoflagen. Het heeft een hoge geleidbaarheid en kan worden gecombineerd met verschillende metaalverbindingen. Het is een materiaal dat in verschillende industrieën kan worden gebruikt, zoals halfgeleiders, elektronische apparatuur en sensoren.
Om MXene goed te kunnen gebruiken, moet men het type en het aantal moleculen begrijpen dat het oppervlak bedekt. Als de moleculen die het oppervlak bedekken fluor zijn, zal de geleidbaarheid worden verminderd en zal ook de efficiëntie van de afscherming van elektromagnetische golven worden verminderd. Omdat MXene echter slechts 1 nanometer (nanometer – een miljardste van een meter) dik is, zou het enkele dagen duren om de moleculen op het oppervlak te analyseren, zelfs met een krachtige elektronenmicroscoop, waardoor massaproductie tot nu toe onmogelijk was.
Baanbrekende vooruitgang bij het analyseren van MXene-oppervlakken
Een onderzoeksteam onder leiding van Seung-Cheol Lee, directeur van het Indo-Korea Center for Science and Technology (IKST) van het Korea Advanced Institute of Science and Technology, heeft een methode ontwikkeld om de verdeling van oppervlaktemoleculen te voorspellen met behulp van de magnetoweerstandseigenschappen van MXene. Met behulp van deze methode kan de moleculaire distributie van MXene worden gemeten door middel van eenvoudige metingen, waardoor kwaliteitscontrole tijdens het productieproces mogelijk wordt gemaakt, wat naar verwachting de weg zal openen naar tot nu toe onhaalbare grootschalige productie.
Het team ontwikkelde een programma om de eigenschappen van tweedimensionale materialen te voorspellen, gebaseerd op het idee dat geleidbaarheid of magnetisme verandert afhankelijk van de moleculen die aan het oppervlak zijn bevestigd. Daarom berekenden ze de magnetische transporteigenschappen van MXene en analyseerden ze met succes het type en aantal moleculen dat bij normale druk en kamertemperatuur op het MXene-oppervlak werd geadsorbeerd, zonder enige extra apparatuur.
Hall-verstrooiingscoëfficiënt en zijn toepassingen
Door het MXene-oppervlak te analyseren met behulp van een ontwikkeld eigenschapsvoorspellingsprogramma, werd voorspeld dat de Hall-verstrooiingscoëfficiënt die de magnetische transmissie beïnvloedt aanzienlijk zou veranderen, afhankelijk van het type moleculen op het oppervlak. De Hall-verstrooiingscoëfficiënt is een fysieke constante die de ladingsdragende eigenschappen van halfgeleidermaterialen beschrijft. Het onderzoeksteam ontdekte dat zelfs als hetzelfde MXeen werd bereid, de waarde van de Hall-verstrooiingscoëfficiënt 2,49 was, waarbij fluor de hoogste was, zuurstof 0,5 en hydroxide 1, waardoor de verdeling van de moleculen werd geanalyseerd.
De Hall-verstrooiingscoëfficiënt heeft verschillende toepassingen, afhankelijk van de waarde. Als de waarde lager is dan 1, kan deze worden toegepast op krachtige transistors, hoogfrequente generatoren, hoogefficiënte sensoren en fotodetectoren. Als de waarde hoger is dan 1, kan deze worden toegepast op thermo-elektrische materialen en magnetische sensoren. Aangezien MXene slechts enkele nanometers of kleiner is, kunnen zowel de grootte van de toepasselijke apparaten als het benodigde vermogen aanzienlijk worden verminderd.
Conclusie en toekomstperspectieven
Seung-Cheol Lee, directeur van IKST, zei: "In tegenstelling tot eerdere onderzoeken die zich richtten op de productie en eigenschappen van pure MXene, is het belang van deze studie dat het een nieuwe oppervlaktemoleculaire analysemethode biedt waarmee gefabriceerde MXenen gemakkelijk kunnen worden geclassificeerd. Door dit resultaat te combineren met experimentele onderzoeken verwachten we het MXene-productieproces te kunnen controleren voor grootschalige productie van MXenen met uniforme kwaliteit."