Two dimensional electron devices built with large area MAXenes
Authors: Γκουντάρας Αθανάσιος 
Published: March 2024

Η απομόνωση του γραφενίου με τη χρήση της τεχνικής της μηχανικής αποφλοίωσης απέδειξε ότι τα τρισδιάστατα υλικά με δομή από διαδοχικά στρώματα ατομικών στοιχείων, όπου οι δεσμοί μεταξύ των στρωμάτων είναι ασθενικοί, μπορούν να μετατραπούν στα αντίστοιχά τους διδιάστατα υλικά με μία τόσο απλή τεχνική. Έως σήμερα η μέθοδος της μηχανικής αποφλοίωσης έχει εφαρμοστεί επιτυχώς σε πολλά υλικά με φυλλόμορφη δομή των οποίων οι δεσμοί μεταξύ των στρωμάτων είναι Van der Waals με τα πιο χαρακτηριστικά παραδείγματα να είναι το εξαγωνικό νιτρίδιο του Βορίου (h-BN) και τα διχαλκογενή μεταβατικά μέταλλα (TMDC). Μία άλλη κατηγορία σύνθετων υλικών με φυλλόμορφη δομή είναι αυτή των φάσεων MAX, στις οποίες το γράμμα Μ αναφέρεται στα μεταβατικά μέταλλα, το γράμμα Α αντιστοιχεί στα στοιχεία των ομάδων 13-16 του περιοδικού πίνακα και το γράμμα Χ αναφέρεται στον άνθρακα (C) ή στο άζωτο (Ν) και η οποία έχει προκαλέσει παγκόσμιο ενδιαφέρον εξαιτίας του ιδιαίτερου τρόπου που συνδυάζει τις ιδιοτήτες τόσο των μετάλλων όσο και των κεραμικών υλικών. Η φυλλόμορφη δομή τους παρουσιάζει ισχυρότερους δεσμούς μεταξύ των στρωμάτων (μεταλλικοί δεσμοί) συγκριτικά με τους δεσμούς Van der Waals και από το 2011, οπότε και προέκυψαν τα πρώτα διδιάστατα υλικά που ονομάστηκαν MXenes με χημική χάραξη των αρχικών φάσεων MAX, δεν έχει εφαρμοστεί καμία άλλη τεχνική μετάβασης από τα 3D στα αντίστοιχα 2D υλικά μέχρι σήμερα. Στη συγκεκριμένη διατριβή εισάγουμε την τεχνική της μηχανικής αποφλοίωσης ως μία νέα μέθοδο αποκόλλησης των φάσεων MAX και απομόνωσης των διδιάστατων στρωμάτων με το ελάχιστο δυνατό πάχος, διαδικασία που θεωρητικά μοιάζει αναποτελεσματική αν λάβουμε υπόψη τους ισχυρούς δεσμούς μεταξύ των ατομικών στρωμάτων και όχι τους αντίστοιχους Van der Waals για τους οποίους είχε αρχικά αναπτυχθεί η προαναφερθείσα τεχνική. Στη μελέτη μας εστιάσαμε στις τριμερείς φάσεις Cr2AlC, V2AlC, Ti2SnC καθώς και την τετραμερή Mo4Ce4Al7C3 φάση, για τις οποίες αποδείξαμε ότι τροποποιήσεις στα βήματα της διαδικασίας μεταφοράς που ήταν γνωστή για το γραφίτη/γραφένιο οδήγησε σε αξιοσημείωτα αποτελέσματα. Συγκεκριμένα κατορθώσαμε να απομονώσουμε λεπτά στρώματα των υλικών μας (νιφάδες) με μεγάλη επιφάνεια και ομοιόμορφο πάχος μέχρι του ενός μονο-στρώματος (monolayer). Η απομόνωση των νιφάδων πάχους μερικών μονο-στρωμάτων πάνω σε υποστρώματα SiO2/Si άνοιξε το δρόμο για το χαρακτηρισμό της επιφάνειάς τους και των ηλεκτρικών τους ιδιοτήτων. Ειδικότερα, μετρήσεις με τη μικροσκοπία ατομικής δύναμης (AFM) και κυρίως με τη μικροσκοπία φαινόμενου σήραγγος (STM) σε επιφάνεια μονοκρυστάλλου Cr2AlC που είχε αποκολλήθει σε δύο επιμέρους επιφάνειες σε συνθήκες υπερ-υψηλού κενού αποκάλυψε ότι συσσωματώματα ατόμων Al παραμένουν και στις δύο επιφάνειες. Οι μικροσκοπίες ανίχνευσης ηλεκτροστατικής δύναμης (EFM και KPFM) κατέδειξαν ξεκάθαρα τη μεταλλική συμπεριφορά των νιφάδων μέχρι και το πάχος του ενός μονο-στρώματος. Το ίδιο συμπέρασμα προέκυψε και από τις μετρήσεις της ειδικής αντίστασης ως συνάρτηση της θερμοκρασίας αλλά και από τις καμπύλες ρεύματος-τάσης (I-V). Τέλος, μέσω μίας κινητικής μελέτης για τη μετατροπή των φάσεων MAX σε MXenes βασισμένης στη χημική χάραξη με υδρο-φθόριο (HF) μιας καλά διαμορφωμένης δομής, η οποία αποτελούνταν από κολόνες V2AlC τετράγωνης επιφάνειας, αποδείξαμε ότι το υδρο-φθόριο εισχωρεί σε επιφάνειες κάθετες στα επίπεδα βάσης (ab planes) του μονοκρυστάλλου.