Illustrazione schematica della ricerca. Credito:gruppo del Prof. XU
Materiali bidimensionali (2-D), che mostrano eccellenti proprietà fisiche e chimiche, hanno ricevuto un'attenzione senza precedenti e sono diventati un hotspot di ricerca in campi scientifici come la fisica, chimica e materiali. La modifica organica su materiali 2-D mediante legame covalente o adsorbimento fisico di molecole organiche può regolare e ottimizzare notevolmente le proprietà dei materiali 2-D.
Però, i metodi di modificazione organica riportati finora sono prima l'esfoliazione e poi una strategia di modificazione organica (E-M), che di solito presentano alcuni svantaggi come un minor rapporto di modifica, tipo incerto, numero e posizione dei gruppi funzionali, una tendenza ai difetti e così via. Perciò, lo sviluppo della funzionalizzazione dei materiali 2-D è molto limitato.
In uno studio pubblicato su Comunicazioni sulla natura , un gruppo di ricerca guidato dal Prof. Xu Gang del Fujian Institute of Research on the Structure of Matter (FJIRSM) dell'Accademia cinese delle scienze ha sviluppato una nuova strategia di modifica organica e quindi di esfoliazione (ME) per preparare il calcogenuro metallico organico 2-D (OMC) ) materiali con band gap sintonizzabili (0,83 eV) e conducibilità elettrica (9 ordini di grandezza).
I ricercatori hanno opportunamente preparato i cristalli progenitori con strutture stratificate che derivano gli OMC mediante chimica umida attraverso il coordinamento tra lo ione metallico e il ligando tiolo contenente diversi gruppi para-sostituiti non coordinati. Hanno ottenuto gli OMC esfoliando i loro cristalli genitori in nanofogli a uno o pochi strati.
Diverso dai materiali 2-D modificati da una strategia E-M, Gli OMC preparati dalla strategia M-E sono una serie di materiali 2-D inorganici omogenei con gruppi funzionali organici a legame covalente periodico. Questa caratteristica della struttura consente ampie regolazioni nelle proprietà degli OMC modificando i centri metallici e i gruppi organici.
Gli OMC hanno {Cu . inorganico 2-D simile al grafene io S}∞, {Ag io S}∞ e {Au io S}∞ strato con gruppo funzionale modificato sandwich (–NH 2 , -OH, –OCH 3 , -F, o –COOH) che si estende fuori dallo strato inorganico. Quindi, entrambe le superfici dei monostrati di calcogenuro metallico sono ordinate e completamente ricoperte dai gruppi funzionali prefissati.
Rispetto ai materiali 2-D riportati da una strategia E-M, I materiali OMC hanno i vantaggi di una semplice preparazione, forte espandibilità del sistema, gruppo funzionale designabile, e così via. Gli OMC hanno un'elevata stabilità termica fino a 300°C, e la maggior parte degli OMC ha anche mostrato una buona stabilità chimica nel pH compreso tra 3 e 11 per> 12 ore
Inoltre, i band gap degli OMC possono essere modulati ad alta flessibilità modificando l'elettronegatività degli ioni metallici o la capacità di donare elettroni dei gruppi funzionali organici. I band gap degli OMC sono totalmente aggiustati di 0,83 eV, che è il valore più alto riportato fino ad oggi raggiunto da tutti i metodi chimici.
I ricercatori hanno calcolato la struttura a bande dipendente dallo spessore degli OMC in base alla teoria del funzionale della densità, mostrando che gli OMC sono caratterizzati da intervalli di banda quasi invariati quando si riduce il numero di strati da massa a strato singolo.
Oltretutto, hanno scoperto che la conduttività degli OMC può essere modulata modificando l'elettronegatività degli ioni metallici o la capacità di donare elettroni dei gruppi funzionali organici. La conduttività degli OMC può essere regolata su 9 ordini di grandezza.
Questo studio offre "prima la modifica organica e poi la strategia di esfoliazione (M-E)" come approccio efficiente per esplorare nuovi materiali 2-D basati su strategie di autoassemblaggio di coordinamento.