三元MAX相中實現二維鐵磁材料的構筑

發布時間：2021-10-14 09:16 原文鏈接：三元MAX相中實現二維鐵磁材料的構筑

　　近日，中國科學院寧波材料技術與工程研究所以Near-Room-Temperature Ferromagnetic Behavior of Single-Atom-Thick 2D Iron in Nanolaminated Ternary MAX Phases為題在Applied Physics Reviews上在線發表最新研究成果。美國物理學會網站上也以Trio of ternary MAX phases expand possibilities for 2D ferromagnetic materials fabrication為題對該工作做亮點介紹。

　　Mn+1AXn（MAX）相是一類具有六方晶體結構（P63 mm/c）的三元層狀碳化物，其中M為前過渡族金屬，A一般認為是ⅢA和ⅣA族元素，X為碳或/和氮，n=1-3。Mn+1AXn晶體結構由Mn+1Xn納米結構亞層與A位單原子層交替堆垛而成，相鄰兩層Mn+1Xn單元呈孿晶位相，A原子層位于鏡面位置，X原子填補M原子所構成的八面體間隙。根據n值的不同，通常簡稱為211（n=1）、312（n=2）和413（n=3）相。MAX相獨特的晶體結構和電子云分布使其兼具金屬和陶瓷性質，表現出耐高溫、抗氧化、高導熱導電、耐輻照和優良的損傷容限等特點，因而MAX相通常被考慮作為高安全結構材料使用，對其功能應用關注較少。從MAX相晶格成鍵特征來看，A原子和最近鄰的M原子之間鍵合較弱，可以最大程度地體現A位元素的物理化學性質。MAX相可能是構建二維鐵磁單原子層的理想模板，并有望作為功能材料在自旋電子器件中得到應用。近年來，磁性MAX相因其獨特的層狀結構和在自旋電子等領域的潛在應用而備受關注，如何通過結構設計獲得具有全新物理化學性質和功能應用的三元磁性MAX相，一直是該領域學者努力的重要方向。盡管目前已報道的三元MAX相材料約有90種，但磁性元素占據MAX相二維單原子A層三元MAX相材料的創制仍未實現。

　　中國科學院寧波材料技術與工程研究所先進能源材料工程實驗室長期致力于三元層狀MAX相材料的開發與應用研究。2019年，實驗室通過A位合金化策略首次將磁性元素Fe、Co、Ni和Mn引入MAX相的A原子層，合成了一系列的、磁性V2(AxSn1-x)C（A=Fe，Co，Ni或Mn）相。然而由于競爭相的存在，常規的粉末燒結法無法合成三元MAX相V2AC（A=Fe）。隨后實驗室提出了同晶置換方法，該方法在保持Mn+1Xn亞層結構穩定的同時，在A位單原子二維空間上實現了原子層交換，合成了一系列A位為后過渡族元素的全新MAX相。以上研究成果表明通過傳統制備手段無法合成的三元鐵基MAX新相，可以通過“自上而下”（Top-down）的同晶置換策略來實現。

　　近期，寧波材料所先進能源材料工程實驗室采用同晶置換策略，利用常見的Ta2AlC、Ti2FeN和Nb2AlC MAX相作為模板材料，通過MAX相中活潑的Al原子層與熔融FeCl2路易斯酸鹽的氧化還原反應成功制得Fe原子占據MAX相二維單原子A層的三種全新鐵基三元MAX相Ta2FeC、Ti2FeN和Nb2FeC。實驗結果表明，三種新型鐵基MAX相均呈現鐵磁性質。相比A位為部分磁性元素的V2(Sn,Fe)C MAX相，Nb2FeC的飽和磁化強度可達到19.69 emu/g，高出前者（0.08 emu/g）兩個數量級，且Ta2FeC和Nb2FeC的居里溫度分別高達291 K和282 K，高于以前報道的磁性MAX相，表明新合成的三元鐵基MAX相材料具有近室溫鐵磁性質，這對其實際應用具有重要意義。此外，三元鐵基MAX相的磁性質對化學組成的具有依賴性，如合成的Ti2FeN MAX相其飽和磁化強度和居里溫度分別為5.93 emu/g和208 K。因此，MAX相能起到很好的單層原子結構模板作用，并有望通過調控MAX相的M位和X位元素成分進一步提高MAX相的磁性和居里溫度，實現在功能器件上的應用。第一性原理計算表明三元鐵基MAX相的磁性主要來源于構建的二維鐵原子層的層內相互交換作用。考慮到MAX相天然的納米層狀結構、高穩定性、高各向異性輸運特性和成分可調性（M、A或X元素及其固溶），MAX相的同晶置換策略為二維鐵磁單原子層的構筑及其在電子和自旋電子領域的應用提供了很好的途徑。

　　該項工作得到國家自然科學基金、中科院對外合作重點項目、浙江省領軍型創新創業團隊、寧波市頂尖人才團隊等支持。