Электронная микроскопия в исследованиях MXene

MXenes — важное недавнее открытие в области исследования двумерных (2D) материалов. С момента открытия уникального класса двумерных материалов методы электронной микроскопии стали основным методом их исследования. Электронная микроскопия может преодолеть дифракционный предел обычной оптической микроскопии и визуализировать наноструктуру материала образца и химический состав в атомном масштабе.

Изображение предоставлено: Елизавета Галицкая / Shutterstock.com

Что такое MXenes?

Графен был первым двумерным материалом — материалом настолько тонким, что голые атомы разделяют две стороны — который появился у ученых-материаловедов, и исследователи идентифицировали его только в конце 2000-х годов.

Научное сообщество по-прежнему очаровано этими материалами благодаря их уникальным электронным, механическим, оптическим, магнитным и каталитическим свойствам. С этими материалами происходят странные явления из-за их низкой размерности или двумерной структуры, из-за чего взаимодействия с ними ведут себя в соответствии с нелогичными законами квантовой механики.

На сегодняшний день MXenes является одной из самых быстрорастущих областей исследования 2D-материалов. MXenes были впервые обнаружены в 2011 году и были классифицированы как карбиды, карбонитриды и нитриды переходных металлов. Они производятся путем наслоения тройных материалов, известных как фазы MAX, для Mn.⁺¹хн. Ступени MAX представляют собой большую группу шестиугольных соединений, сгруппированных в слои. M представляет собой ранний переходный металл, A представляет собой элемент группы A, обычно алюминий, а X представляет собой углерод, азот или и то, и другое.

Наиболее распространенным методом изготовления MXenes является селективное травление слоев A на стадии MAX для создания пространства между переходным металлом и углеродно-азотным листом. Плавиковая кислота или соли фтора с соляной кислотой используются в качестве растворителя для травления.

Как изучать MXenes

Два инструмента характеристики сыграли более важную роль, чем любой другой в развитии исследований MXene: рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия (XPS) и электронная микроскопия. XPS используется для изучения химии поверхности MXenes с высоким уровнем детализации, выбранным из-за их высокой поверхностной чувствительности. Но пространственное разрешение в XPS ограничено только квадратными микрометрами в диапазоне. Это означает, что сигнал ухудшается из-за примесей и вторичных фаз порошковых материалов.

С другой стороны, электронная микроскопия хорошо работает с точки зрения пространственного разрешения. В течение почти столетия электронный микроскоп был важным инструментом для исследований в области материаловедения, с его способностью точно идентифицировать и исследовать интересующие объекты в нанометрах (нм) и даже — в случае (сканирующей) просвечивающей электронной микроскопии (S). )TEM — в ангстремах (Å).

Современные электронные микроскопы могут одновременно предоставлять данные о морфологии, кристаллической структуре, расположении, составе и химическом состоянии атомов. Это делает ее единственной технологией, позволяющей проводить комплексный поиск 2D-материалов на атомарном уровне.

В последнее время экологические приборы и держатели образцов продвинулись до такой степени, что исследования динамических изменений материалов в атомных масштабах можно проводить на месте в контролируемых газовых или жидких средах. Это означает, что исследователи могут перемещать лабораторию внутрь электронного микроскопа, миниатюризируя эксперименты. Эти исследования особенно важны для того, чтобы помочь нам понять и улучшить электрохимические и каталитические характеристики таких материалов, как MXenes.

Базовый СЭМ

Сканирующая электронная микроскопия (СЭМ) занимает центральное место во всех исследованиях материалов, и исследования MXene не являются исключением. SEM легко доступен и был основным методом исследования, стоящим за появлением исследований MXenes в последнее десятилетие.

SEM может генерировать изображения с высоким разрешением более пяти порядков. Он работает путем сканирования электронного луча через образец, заставляя его испускать рассеянные электроны или вторичные электроны и предоставляя топографическую, морфологическую и микроскопическую информацию об образце.

SEM также генерирует рентгеновские снимки, которые могут предоставить данные о составе и карты элементов. Легко интерпретировать изображения SEM и легко передать возможности новых материалов, таких как MXenes. В результате за последние десять лет изображения MXene украшали обложки многих влиятельных научных журналов.

СЭМ-изображение подтверждает морфологию MXene и процесс трансформации, который начинается с объемных MAX-фаз и заканчивается двумерной структурой MXene. Его также можно использовать для проверки успеха других методов обработки путем определения того, как происходят морфологические изменения от блока MAX до листов MXene.

ТЭМ для самых тяжелых работ

Трансмиссионная электронная микроскопия (ПЭМ) является более сложным методом, чем метод СЭМ, который требует высококвалифицированных операторов и более тщательной подготовки образцов. Его преимущества включают более высокие степени увеличения и пространственного разрешения.

ТЭМ пропускает электроны через тонкие образцы, чтобы обеспечить подробное описание их внутренней микроструктуры. Это позволяет исследователям определять мгновенные контрастные различия между различными фазами и ориентациями кристаллов в материале.

ПЭМ использовалась для проверки фаз MAX до открытия MXenes.

Передовые технологии: STEM и HAADF

В то время как SEM и TEM являются основными методами сканирующей электронной микроскопии, используемыми в исследованиях MXene, несколько специализированных и передовых подходов также использовались для влияния на развивающуюся область.

Сканирующая просвечивающая электронная микроскопия (STEM) использует субатомный электронный пучок для получения изображения с более высоким разрешением. Визуализация поперечного кольцевого темного поля (HAADF) под большим углом используется для определения кристаллической структуры MXenes.

Продолжить чтение: Термогравиметрический анализ исследований MXene

Ссылки и дополнительная литература

Аль-Нур, Х. , а. Алсукова, с. Пализетес, и другие (2021). Изучение MXenes и предшественников, разработанных MAX, с помощью электронной микроскопии. Материал продвигается сегодня. Можно купить в: https://doi.org/10.1016/j.mtadv.2020.100123.

Гогоци, Ю. и Б. Анасори (2019). Восстание MXenes. АКС Нано. Можно купить в: https://doi.org/10.1021/acsnano.9b06394.

Хан, К .; и другие (2020). Последние разработки в области новых 2D-материалов и их приложений. Журнал химии материалов c. Доступно в: https://doi.org/10.1039/c9tc04187g.

Новоселов и другие (2004). Электрическое поле в атомарном тонком углероде. Наука. Можно купить в: https://doi.org/10.1126/science.1102896.

Отказ от ответственности: мнения, выраженные здесь, принадлежат автору, выраженному в его личном качестве, и не обязательно отражают мнение AZoM.com Limited T/A AZoNetwork является владельцем и оператором этого веб-сайта. Этот отказ от ответственности является частью условий использования этого веб-сайта.