Управление электронными свойствами двумерных карбидов (MXenes) путём изменения состава слоёв переходных металлов

В этом исследовании продемонстрирован переход от металлического к полупроводникоподобному поведению двумерных (2D) карбидов переходных металлов при замене титана молибденом во внешних слоях переходного металла (M) в MXenes Mo₂TiC₂Tₓ и Mo₂Ti₂C₃Tₓ. Структура MXene состоит из n + 1 почти плотноупакованных слоёв M, между которыми углерод или азот занимает октаэдрические позиции, образуя последовательность [MX]ₙM. Недавно были открыты два новых семейства упорядоченных двумерных карбидов MXenes с двумя переходными металлами — M′₂M″C₂ и M′₂M″₂C₃, где M′ и M″ представляют собой два различных ранних переходных металла, например Mo, Cr, Ta, Nb, V или Ti. Атомы M′ занимают только внешние слои, а атомы M″ — средние слои. Иными словами, атомные слои M′ расположены по обе стороны от средних слоёв M″–C. С помощью анализа функции распределения атомных пар (PDF) по данным рентгеновского рассеяния в MXenes Mo₂TiC₂Tₓ и Mo₂Ti₂C₃Tₓ впервые проведён количественный анализ структуры этих новых материалов и экспериментально подтверждено, что атомы Mo находятся во внешних слоях структур [MC]ₙM. Электронные свойства этих MXenes, содержащих Mo, сопоставляли с соответствующими Ti-содержащими MXenes. В отличие от последних, они не проявляли характеристик металлических проводников: при снижении температуры их сопротивление умеренно возрастало. Расчёты в рамках теории функционала плотности (DFT) показали, что MXenes Mo–Ti с OH-группами на поверхности являются полупроводниками с узкой запрещённой зоной. Измерения температурной зависимости проводимости и магнитосопротивления подтвердили полупроводникоподобный характер транспорта в Mo₂TiC₂Tₓ, тогда как Ti₃C₂Tₓ является металлом. Этот результат открывает новые возможности для управления электронными и оптическими свойствами MXenes, а также для разработки применений, требующих полупроводниковых характеристик.