Новый метод лазерной записи позволил контролировать качество двумерных материалов в реальном времени

MXene — это двумерные материалы, которые получают из слоистых трехмерных карбидных или нитридных соединений, известных как MAX-фазы. Их общая формула — Mₙ₊₁AXₙ, где М — переходный металл (например, молибден или титан), А — элемент III группы (чаще всего алюминий), а Х — углерод или азот. Ключевой этап их синтеза состоит в селективном химическом травлении: образец обрабатывается кислотой (например, плавиковой HF), которая избирательно растворяет и удаляет атомы алюминия из кристаллической решетки, не разрушая при этом M–X слои. Этот процесс приводит к разделению материала на двумерные слои.

«MXene обладают высокой электропроводностью, хорошими механическими характеристиками и настраиваемыми поверхностными свойствами. Это делает их крайне перспективными для гибкой опто- и наноэлектроники, а также сенсорики. Однако при синтезе не всегда возможно полностью удалить алюминий, остаточные кластеры которого искажают электронные и оптические свойства материала», — отметил Илья Завидовский, старший научный сотрудник Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ.

Изображение сканирующей электронной микроскопии (a) и картирование элементов методом рентгеновской энергодисперсионной спектроскопии (b-g) MXene Mo2TiC2. В левом верхнем углу представлена примесь окисленного алюминия / © Завидовский И.

В своей работе ученые из МФТИ превратили проблему остаточного алюминия в функциональный инструмент. Они сфокусировали лазерный луч на частицы MXene, под действием которого остаточный алюминий окисляется и становится оксидом (Al₂O₃). Оказалось, что эти частицы сами начинают излучать — люминесцировать. Это происходит за счет атомов хрома, которые присутствуют в незначительном количестве в окружающей среде и в материале. Они встраиваются в оксид под воздействием лазера. Лазерная «запись» использует примесные элементы материала для создания локализованных ярких источников света. Таким образом, физики превратили главную технологическую примесь материала — остаточный алюминий — в наноразмерные центры рубина (Al₂O₃:Cr³⁺), излучающие свет в узком диапазоне. Результаты исследования опубликованы в престижном международном журнале Advanced Optical Materials. Подготовленный командой ученых графический материал размещен на обложке журнала.

Иллюстрация процесса лазерной записи рубина в MXene / © Завидовский И.

«Мы доказали, что рубиновая люминесценция возникает практически во всех облученных лазером MXene, даже если они изначально не содержат хром. Минимальные примеси этого элемента попадают в материал естественным образом и обеспечивают свечение. Это делает метод универсальным инструментом для контроля чистоты MXene», — отметил Сергей Новиков, заведующий лабораторией контролируемых оптических наноструктур Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ.

Разработанная технология позволяет быстро и почти без разрушения проверять, насколько полно удален алюминий из материала. Кроме того, рубиновые центры реагируют на механическое напряжение, температуру и химическое окружение, что фактически делает их встроенными сенсорами. Это значит, что обработанный лазером MXene можно использовать для контроля качества материала от коррозии в морских условиях, мониторинга деформации в гибких устройствах и окружающей среды.

«Мы показали, что то, что раньше считалось проблемой для MXene — остатки алюминия, может стать их достоинством. Лазерное излучение превращает примеси во встроенные рубиновые наносенсоры, которые «сообщают» о состоянии материала, например его деформации, температуре и химическом окружении», — объяснил Алексей Большаков, директор Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ.

В работе приняли участие ученые из МФТИ, XPANCEO (ОАЭ), ПНИПУ, МГУ имени Ломоносова, ДВФУ, Шэньчжэньского университета MSU-BIT, Алферовского университета. Исследование выполнено при поддержке Министерства науки и высшего образования России.