Science：通過大規模計算和化學剝離的二維材料層狀固體

一、 【科學背景】??

? ? ? ?已有將石墨剝離成石墨烯的成功案例，因此科學家希望可以有類似石墨烯材料的合成，例如二維材料。化學剝離二維材料是一種將多層二維材料分離為單層的方法。二維材料具有特殊的物理和化學性質，因此對其進行剝離并獲得單層材料對于研究其性質和開發應用具有重要意義。化學剝離通常涉及在適當的溶劑中處理多層材料，以使其層間相互作用減弱，然后通過機械或化學方法將單層材料分離出來。雖然機械剝離是一種有效的制備方法，但是需要具有特定結構的前驅體材料，但是不太適用于大規模生產。為解決該難題，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。提出了一種理論方法，通過識別適合選擇性蝕刻的 3D 材料來預測酸性條件下化學剝離形成的 2D 材料。從 66,643 種 3D 材料的數據集中，在多個材料系列中確定了 119 種可能可剝離的候選材料。為了證實該方法，選擇了一種在結構和化學成分上與MAX相明顯不同的材料進行實驗驗證。

二、【科學貢獻】

圖1為計算篩選方法的示意圖。該方法包括(i)從熱力學穩定的三元數據集開始；(ii) 拓撲篩選，這些前體由二維單元組成，通過單種原子層化學的三維前驅體元素）；(iii) 計算剝離、溶解過程和初始蝕刻步驟的熱力學原理；以及 (iv)計算衍生材料的動力學穩定性。方法從根本上不同于機械剝離，與機械剝離預測有本質區別。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? 計算篩選方法示意圖。? 2024 Science

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。

圖2 層狀材料的剝離和溶解自由能比較層狀材料的自由能。? 2024 Science

結果如圖 3 所示，圖中比較了A元素形成空位的自由能和另外兩個元素（標為 B 和 C）形成空位的最小自由能。圖3比較了A元素形成空位的自由能和另外兩個元素（標為 B 和 C）形成空位的最小自由能。

圖3 化學剝離的初始步驟，通過空位形成自由能進行演示。? 2024 Science

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，蝕刻過程導致了材料結構變化。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。圖4B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。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是的透射電子顯微鏡（STEM）圖像，表征了少層Ru₂Si_xO_y的形態，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形成了二維材料。

圖4 水溶性HF溶液中YRu₂Si₂的化學剝離。? 2024 Science

三、【 創新點】?

1．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。

2.? ?通過該方法，引入其他數據庫數據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。

四、【 科學啟迪】

? ? ? ?本文提出了一種計算篩選算法，用于識別可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層狀三維化合物預測。這項工作應被視為通過計算預測，來尋找化學剝離形成的二維材料的通用程序所做的初步努力。要實現其中一些預測，可能需要開發定制的 化學策略。雖然此次的研究重點是HF酸腐蝕，但可以預見的是，在進行相關修改后，通過引入相關化學勢，之后可以將這種方法應用到其他腐蝕劑中。 此外，對二維材料的探索，還可以考慮通過更多的數據庫數據將本文的研究方法結合，擴展到三元材料之外來進行預測。在這項研究的基礎上取得進一步理論進展、進一步拓寬預測二維材料的潛力是巨大的。

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。

原文詳情：https://www.science.org/doi/10.1126/science.adj6556