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自從石墨剝離成石墨烯發現以來，科學家希望類似石墨烯材料的合成，比如如硅烯和鍺烯以及二維化合物（如六方氮化硼）。雖然機械剝離是一個有效的制備方法，但是它需要具有特定結構的前驅體材料，并且對于大規模生產可能不太適用。因此，人們開始探索化學剝離作為機械剝離的替代方法。傳統的機械剝離方法需要特定結構的原材料，并且在大規模生產方面可能存在限制。此外，對于化學剝離，確定適合剝離的材料并進行實驗驗證是一個具有挑戰性的任務。

成果簡介

為此，林雪平大學Johanna Rosen、Jonas Bj?rk和Jie Zhou等人開始嘗試利用計算模擬來預測適合化學剝離的材料。他們探索了從三維前驅體中剝離出二維材料的熱力學和動力學過程，并嘗試確定適合剝離的材料。以上文章以“Two-dimensional materials by large-scale computations and chemical exfoliation of layered solids”為題發表在Science上。通過計算篩選算法這種方法，他們可以預測出大量適合化學剝離的材料，并提供了一種可行的合成方法。

圖文導讀

圖1為計算篩選方法的示意圖。圖中的各部分結果如下：首先，從熱力學穩定的三元數據集開始（見圖1(1)），研究者進行了拓撲篩選以識別分層材料（見圖1(2)）。然后，從這些材料中選擇出完全化學剝離有利的候選材料，進一步縮減為僅通過移除A元素才能開始初始蝕刻的材料（見圖1(3)）。接著，評估所得2D材料的動力學穩定性（見圖1(5)）。通過該方法，研究者能夠快速而有效地發現新的二維材料，從而為材料科學領域提供了更多的選擇。此外，該方法還有助于了解化學剝離過程中的熱力學和動力學特性，為二維材料的合成和應用提供了理論指導。

圖1. 計算篩選方法的示意圖

為了比較層狀材料的剝離和溶劑化自由能，研究者在圖2A和B分別展示了不帶和帶終止物的剝離自由能與溶劑化自由能之間的關系。在圖2A中研究者展示了滿足第一個標準的材料，而在圖2B中，他們確定了滿足第二標準的材料。此外在圖2A中，陰影紫色區域內的材料符合第一個蝕刻標準，而在圖2B中，陰影綠色區域內的材料符合第二蝕刻標準。數據點的顏色表示材料是否符合一個、兩個、三個或沒有標準。總體而言，研究者發現了85種材料符合第一個標準，63種材料符合第二標準，235種材料符合第三標準。在隨后的步驟中，共有304種材料至少符合三個標準中的一個，這為進一步研究提供了重要的信息。

圖2.?層狀材料的剝離和溶劑化自由能的比較

圖3展示了對至少符合三個化學剝離標準之一的化合物進行的分析結果。在圖中通過比較去除A元素的空位形成自由能與去除B或C元素的最小空位形成自由能，來確定化學剝離的初始步驟。圖3分為A和B兩部分，分別提供了結果的概覽和詳細信息。在圖3A中，每個數據點都反映了材料是否符合三個化學剝離標準中的哪一個，并根據預期的蝕刻行為進行了顏色編碼。當ΔGA < 0且ΔGB,C > 0時，預測將發生A元素的選擇性蝕刻。圖3B則提供了預測將從A元素位點開始蝕刻的3D化合物的詳細信息，包括化學式和相應的動態穩定性。這些數據是在pH = 0和離子濃度為10^-3 mol dm^-3的條件下計算的。這有助于指導后續的實驗工作，驗證預測并進一步開發新型的二維材料。

圖3.?化學剝離的初始步驟，通過空位形成自由能進行演示

實驗驗證圖4表征了YRu₂Si₂在水性HF溶液中的化學剝離過程。在圖4A中表征了蝕刻前（紅色曲線）和蝕刻后（藍色曲線）的X射線衍射（XRD）圖譜。從圖中可以看出，經過HF處理后，YRu₂Si₂的峰強度顯著減小，說明蝕刻過程導致了材料結構的變化。此外，觀察到（002）峰的位置發生了向較低角度的移動，這表明了晶格的擴展，符合材料從三維到二維的轉變。另外，還觀察到新的較低角度（000l）峰的形成，進一步表明了化學剝離導致了材料的層狀結構。

圖4B表征了經過HF處理后的YRu₂Si₂粉末的掃描電子顯微鏡（SEM）圖像，可以清楚地看到，粉末顆粒呈現出剝離的特征，具有手風琴狀的形態，這是典型的二維材料的特征。這進一步證實了材料在化學剝離過程中發生了層狀結構的形成。圖4C是典型部分的透射電子顯微鏡（STEM）圖像，表征了少層Ru₂SixOy的形態。圖中可以看到，材料呈現出層狀的結構，并且片之間有明顯的分離，這進一步證明了YRu₂Si₂在HF溶液中的化學剝離過程成功地形成了二維材料。

圖4.?水溶性HF溶液中YRu₂Si₂的化學剝離

結論與展望

研究者提出了一個計算篩選算法用于識別可以在酸性條件下通過選擇性蝕刻原子層而化學剝離成二維材料的分層三維化合物。實現其中一些預測可能需要開發量身定制的化學策略。盡管研究者的重點集中在氫氟酸中的蝕刻上，但通過引入相關的化學勢，并進行相應的修改，將這種方法應用于其他蝕刻劑是可以預見的。此外，通過考慮額外的數據庫并將研究者的視野擴展到三元化合物之外，可以擴展對二維材料的探索。受MXenes的啟發，如果研究和開發繼續以當前的速度擴展，通過選擇性蝕刻獲得的二維材料可能在未來先進材料和技術的發展中發揮關鍵作用。

文獻信息

Jonas Bj?rk et al. ,Two-dimensional materials by large-scale computations and chemical exfoliation of layered solids.Science383,1210-1215(2024).DOI:10.1126/science.adj6556

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