Une nouvelle voie vers les matériaux 2D

Découverts pour la première fois en 2011, les MXènes sont une classe de matériaux inorganiques bidimensionnels en pleine expansion. Chaque unité structurelle est composée de couches de métaux de transition combinés avec du carbone ou de l’azote et est terminée par des atomes attachés aux surfaces les plus externes. Ces terminaisons de surface jouent un rôle crucial dans la détermination des propriétés du matériau. « Elles influencent fortement la façon dont les électrons se déplacent dans le matériau, sa stabilité et ses interactions avec la lumière, la chaleur et les environnements chimiques », explique le Dr Mahdi Ghorbani-Asl de l’Institut de physique du faisceau d’ions et de recherche sur les matériaux du HZDR.

Traditionnellement, la plupart des MXènes sont produits par des méthodes de gravure chimique qui entraînent des terminaisons de surface mélangées et distribuées de manière aléatoire, comme l’oxygène, le fluor ou le chlore. « Ce désordre atomique limite les performances car il piège et disperse les électrons, un peu comme des nids-de-poule qui ralentissent la circulation sur une autoroute », décrit le Dr Dongqi Li de l’Université technique de Dresde.

La nouvelle méthode GLS évite les produits chimiques agressifs en utilisant des matériaux de départ solides connus sous le nom de phases MAX, ainsi que des sels fondus et de la vapeur d’iode, pour produire des feuillets de MXène. De manière cruciale, les sels fondus et l’iode travaillent ensemble pour contrôler quels atomes d’halogène, comme le chlore, le brome ou l’iode, se fixent à la surface. Les résultats sont des MXènes avec des terminaisons de surface hautement uniformes et bien ordonnées, et un niveau d’impuretés fortement réduit.

Avec cette approche, l’équipe a réussi à synthétiser des MXènes à partir de huit phases MAX différentes, montrant que la méthode est largement applicable. De plus, les chercheurs ont utilisé des calculs de théorie de la fonctionnelle de la densité (DFT) pour mieux comprendre comment les terminaisons de surface influencent la stabilité et les propriétés électroniques des MXènes. « En combinant la théorie avec notre capacité expérimentale à contrôler précisément les terminaisons de surface, nous ouvrons une nouvelle voie vers des MXènes avec une stabilité améliorée et des propriétés fonctionnelles sur mesure », conclut Ghorbani-Asl.

Une conductivité exceptionnelle grâce à des surfaces parfaitement ordonnées

Pour illustrer l’impact de cette percée, les chercheurs se sont concentrés sur l’un des représentants les plus étudiés de cette classe de composés : le MXène de carbure de titane Ti₃C₂. Lorsqu’il est fabriqué par les voies chimiques conventionnelles, Ti₃C₂ contient typiquement un mélange de terminaisons de chlore et d’oxygène, ce qui perturbe ses propriétés électriques. En revanche, le Ti₃C₂Cl₂ produit par la méthode GLS ne contient que du chlore, arrangé dans une structure hautement ordonnée sans impuretés détectables.

« Les résultats étaient frappants. La variante de MXène terminée au chlore a montré une augmentation de 160 fois de la conductivité macroscopique et une amélioration de 13 fois de la conductivité térahertz par rapport au même matériau fabriqué par les méthodes traditionnelles. De plus, une augmentation presque quadruple de la mobilité des porteurs de charge a été observée, une mesure clé de la liberté de mouvement des électrons dans un matériau », résume Li.

Ces gains de performance découlent directement d’une chimie de surface plus propre. Avec tous les atomes de chlore soigneusement arrangés sur la surface du MXène, les électrons rencontrent moins d’obstacles et peuvent circuler plus facilement. Les simulations de transport quantique ont confirmé que les surfaces uniformes réduisaient le piégeage et la diffusion des électrons, fournissant une explication microscopique claire des améliorations mesurées.

Personnaliser les matériaux 2D pour les technologies de demain

Au-delà du transport électrique, l’étude montre que l’ajustement du type d’halogène de surface modifie également la façon dont les MXènes absorbent les ondes électromagnétiques. Cela signifie que les matériaux peuvent être conçus pour des applications spécifiques telles que les revêtements absorbants pour radars, la protection électromagnétique et les composants sans fil de nouvelle génération. Par exemple, les MXènes terminés au chlore présentent une forte absorption dans la gamme de fréquences 14-18 GHz, tandis que les MXènes terminés au brome et à l’iode absorbent dans différentes fenêtres de fréquence.

La méthode fournit également une plateforme puissante pour concevoir des MXènes avec des propriétés de surface sur mesure. En mélangeant différents sels d’halogénure, les chercheurs ont produit des MXènes avec des terminaisons d’halogène doubles ou même triples et des rapports précisément contrôlés. Cette capacité à « composer » la composition de surface offre une nouvelle boîte à outils pour personnaliser les MXènes pour des applications en électronique, catalyse, stockage d’énergie, photonique et au-delà.

Dans l’ensemble, cette étude représente une avancée significative dans la chimie des MXènes. Pour la première fois, elle démontre une voie de synthèse douce et largement applicable qui produit des MXènes hautement ordonnés avec des terminaisons de surface précisément contrôlées. Selon les auteurs, la méthode GLS pourrait accélérer le développement de matériaux de nouvelle génération pour l’électronique flexible, les technologies de communication à haute vitesse et les dispositifs optoélectroniques avancés.

Article : Triphasic synthesis of MXenes with uniform and controlled halogen terminations – Journal : Nature Synthesis – Méthode : Experimental study – DOI : Lien vers l’étude

Source : Helmholtz