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深大张晗教授团队在Physics Reports发表MXene光学相关综述论文

近日,深圳大学副研究员蒋先涛(第一作者)和张晗特聘教授(通讯作者)在物理学顶级刊物Physics Reports-Review Section of Physics Letters (影响因子28.295,中科院JCR一区top期刊)上发表题为“Two-dimensional MXenes: From morphological to optical, electric, and magnetic properties and applications”的长篇综述。

图1. 两层MXene:Ti3C2Tx的原子结构示意图。


近年来,一种由美国德雷塞尔大学 (Drexel University) Yury Gogotzi 等人发明的新的二维材料家族MXene引起了人们的广泛关注。MXene具体是指一类具有Mn+1XnTx元素构成的材料体系,其中M表示早期过渡族金属元素,X表示C或者N,T指的是该二维材料表面的基团/修饰体,n通常取值范围为1-3。由于该体系丰富的化学构成,目前已经报道的MXene材料超过70种,这给按性能需要制备适当的MXene材料提供了广阔的空间。不同于石墨烯表面修饰的困难,由于MXene材料本身自带的表面修饰体,赋予了其灵活的化学改性的可能性,以及与水、有机相溶剂和生物体良好的相容性。金属元素和C/N元素的组合也给与了MXene材料良好的电学性能,并且值得注意的是,该良好的电学性能并没有影响MXene优异的光学性能。MXene的线性吸收度在1%/nm左右,远远低于石墨烯的2.3%/单层 (每单层石墨烯的厚度为≤1nm)。由于MXene材料所具有的各种出色的物理化学性能,如高导电率、高弹性模量、高电容率、可调谐的带隙、高光学透过率、可离子嵌入、可室温条件制备、以及与水、有机溶剂和生物体良好的相容性等。MXene已经被广泛的应用到了储能、结构材料、电磁屏蔽、水净化、气体传感器、生物传感器、催化剂、产氢、光热治疗以及核废料处理等领域。


基于此,该综述论文分七大部分系统地介绍了新型MXene二维材料:(1)理论计算与预测。包括理论计算方法、光电磁学性能、拓扑性能表面光能团以及MXene异质结等。(2)MXene材料的制备方法,如图2所示。包括(Ι)选择性刻蚀,如HF刻蚀,无酸环境刻蚀,熔盐法刻蚀;(Ⅱ)化学转变,如碳化或氮化非MXene原材料;(Ⅲ)至下而上构建,如CVD生产,盐模板法等。(3)MXene的形貌特征,包括各种不同的形貌以及表面基团的系统总结与讨论,如图3所示。(4)MXene的光学性能及其应用。包括线性光学(如图4),非线性光学,发光性能,表面等离子体,光子-声子相互作用,生物光子学等。(5)MXene的电学性能及其应用。系统介绍了影响MXene电学性能的关键因素,并列举了一些典型应用,如电子器件、EMI、传感、光-电-化学催化等等,如图5。(6)MXene的磁学性能及其最新发展状况。例如利用温度,表面基团等对MXene磁性进行调控等。(7)MXene发展面临的挑战与机遇。本文展望了MXene在多维模型与材料信息、非线性光学、磁-光、非平衡态、相变转变、ENZ材料、超材料、手性材料、有机-无机杂化、量子信息,和生物医学应用方面的前景与机遇。

图2. MXene材料的制备方法。(Ι)选择性刻蚀,(Ⅱ)化学转变,(Ⅲ)至下而上构建。


图3. MXene材料的各种形貌。


图4. MXene非线性光学性能及其应用列举。


图5. MXene电学性能应用列举。


图6. MXene催化应用列举。


图7. MXene生物医学应用列举。


该综述文章第一作者是深圳大学副研究员蒋先涛博士,通讯作者为深圳大学二维材料光电科技联合实验室张晗特聘教授和纽约州立大学布法罗分校Paras N. Prasad教授。深圳大学为第一作者单位和通讯作者单位。


原文(扫描或长按二维码,识别后直达原文页面,或点此查看原文):

Two-dimensional MXenes: From morphological to optical, electric, and magnetic properties and applications

Xiantao Jiang, Artem V. Kuklin, Alexander Baev, Yanqi Ge, Hans Ågren, Han Zhang, Paras N. Prasad

Phys. Rep., 2020, DOI: 10.1016/j.physrep.2019.12.006


导师介绍

张晗

https://www.x-mol.com/university/faculty/40451


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