Theoretical Prediction of Superconducting 2D Hydrogenated Janus V2CSH and Nb2CSH MXenes

Tweedimensionale materialen zijn vellen materie die zo dun zijn dat ze slechts een enkele laag atomen dik zijn, maar ze bezitten eigenschappen die de volumineuzere versies van dezelfde substantie simpelweg niet hebben. Onder deze materialen heeft een familie bekend als MXenen aanzienlijke aandacht getrokken vanwege hun vermogen om elektriciteit te geleiden en hun potentieel om energie op te slaan. Deze materialen worden doorgaans gemaakt door lagen af te pellen van een groter kristal, waarbij een oppervlak achterblijft dat vaak bedekt is met diverse atomen zoals zuurstof of fluor. Deze oppervlaksatomen fungeren als een huid en veranderen fundamenteel hoe het materiaal zich gedraagt. Recentelijk zijn wetenschappers geïnteresseerd geraakt in een specifieke variatie genaamd een Janus-structuur, vernoemd naar de twee-gezichtige Romeinse god. In deze vellen zijn de twee zijden verschillend van elkaar, waarbij de ene zijde bedekt is met één type atoom en de tegenoverliggende zijde met een ander. Deze asymmetrie creëert een unieke interne omgeving die kan worden afgestemd om nieuwe elektronische effecten te produceren, inclusief het theoretische potentieel om elektriciteit te geleiden zonder enige weerstand, een fenomeen dat bekend staat als supergeleiding.

In een nieuwe studie onderzochten onderzoekers hoe dit Janus-ontwerp zou werken met twee specifieke metalen, vanadium en niobium, wanneer hun oppervlakken bedekt zijn met een mengsel van waterstof en zwavel. Met behulp van krachtige computersimulaties modelleerden het team enkelvoudige lagen van deze materialen om te zien of ze bij elkaar zouden blijven en hoe ze elektriciteit zouden geleiden. Ze ontdekten dat zowel de op vanadium gebaseerde als de op niobium gebaseerde vellen stabiel waren en niet uit elkaar zouden vallen onder normale omstandigheden. Belangrijker nog, de studie voorspelt dat beide materialen supergeleiders zouden kunnen zijn, wat betekent dat ze een elektrische stroom kunnen dragen met nul energieverlies, maar alleen bij extreem lage temperaturen. De studie onthulde dat hoewel beide materialen dit potentieel vertonen, het materiaal dat niobium bevat de effectievere supergeleider is, in staat om deze staat te handhaven bij een hogere temperatuur dan zijn vanadium-tegenhanger.

De onderzoekers begonnen met het construeren van de atomaire modellen van deze twee vellen. Elke sheet bestaat uit een centrale laag koolstofatomen die wordt ingesloten tussen twee lagen metaalatomen. Aan één kant van de sheet zijn de metaalatomen gebonden aan zwavel, terwijl ze aan de andere kant gebonden zijn aan waterstof. Deze arrangement creëert een permanente elektrische onbalans over de sheet, vergelijkbaar met een batterij met een positieve en een negatieve kant, wat een direct gevolg is van de twee verschillende zijden. De simulaties toonden aan dat de atomen in deze vellen stevig bij elkaar worden gehouden en dat de materialen stabiel blijven, zelfs wanneer ze in een gesimuleerde omgeving worden verhit tot kamertemperatuur. Het team controleerde ook op magnetisme, een eigenschap die vaak interfereert met supergeleiding, en vond dat geen van beide materialen enig magnetisch gedrag vertoonde, wat een gunstige voorwaarde is voor het ontstaan van de supergeleidende staat.

Toen de wetenschappers onderzochten hoe elektriciteit door deze vellen beweegt, ontdekten ze dat beide materialen als metalen fungeren, waarbij elektronen vrij door hen heen stromen. De stroom van elektriciteit wordt primair gedreven door de elektronen die rond de metaalatomen draaien. De twee materialen zijn echter niet identiek. De niobium-sheet heeft een iets grotere afstand tussen de atomen vergeleken met de vanadium-sheet, een verschil dat verandert hoe de elektronen en de vibrerende atomen met elkaar interageren. Deze interactie is de sleutel tot supergeleiding in deze materialen. Voor een materiaal om een supergeleider te worden, moeten elektronen paren vormen en door het rooster van atomen bewegen zonder ertegenaan te botsen. Dit paren wordt gefaciliteerd door de trillingen van de atomen zelf. De onderzoekers berekenden hoe sterk de elektronen koppelen met deze trillingen en vonden dat de niobium-sheet een sterkere verbinding heeft dan de vanadium-sheet.

Deze sterkere verbinding leidt tot een hogere temperatuur waarbij het materiaal naar verwachting supergeleidend wordt. De studie voorspelt dat de op vanadium gebaseerde sheet supergeleidend zou worden bij een temperatuur van 2,36 Kelvin, wat net boven het absolute nulpunt ligt. De op niobium gebaseerde sheet wordt echter voorspeld supergeleidend te worden bij 5,27 Kelvin. Hoewel deze temperaturen nog steeds ongelooflijk koud zijn, is het feit dat de niobium-versie bij een hogere temperatuur werkt significant. De onderzoekers ontdekten dat de belangrijkste drijfveer voor dit effect voortkomt uit de laag-energetische trillingen van de metaal- en zwavelatomen. Deze zware atomen trillen langzaam, en het zijn deze specifieke bewegingen die ongeveer 77 procent van het vermogen van het materiaal om supergeleidend te worden, verklaren. De lichtere waterstof- en koolstofatomen spelen een veel kleinere rol in dit proces.

De bevindingen suggereren dat door één metaal voor een ander te vervangen binnen dezelfde Janus-structuur, wetenschappers de supergeleidende eigenschappen van deze materialen kunnen fijn afstemmen. De studie spreekt de gedachte tegen dat de twee materialen identiek zouden gedragen omdat ze dezelfde vorm en oppervlaksatomen delen; in plaats daarvan bepaalt de specifieke keuze van het metaal de sterkte van het supergeleidende effect. De onderzoekers merkten ook op dat de materialen mechanisch robuust zijn, wat betekent dat ze stijf zijn en resistent tegen rekken, wat belangrijk is voor elk toekomstig praktisch gebruik. Hoewel deze resultaten momenteel gebaseerd zijn op computersimulaties en nog niet in een laboratorium zijn gecreëerd, bieden de berekeningen een duidelijk stappenplan voor wat te verwachten als deze materialen worden gesynthetiseerd. Het werk benadrukt dat de op niobium gebaseerde Janus MXene een bijzonder veelbelovende kandidaat is voor toekomstige toepassingen bij lage temperaturen, en biedt een nieuwe weg voor het ontwerpen van tweedimensionale kwantummaterialen met op maat gemaakte elektrische eigenschappen.