钛元素和MXene

副族指的是III B族到II B族的各族元素。其中钛位于IV B副族。在元素周期表中，从上到下依次是钛Ti、锆Zr、铪Hf和钅卢Rf。其中Rf是人工合成的放射性元素，本文不予介绍。

Ti在地壳中质量分数为0.56%，位列第10。自然界有钛铁矿 、金红石 、钒钛铁矿、钙钛矿 和榍石灯。Zr主要有锆英石 等。

钛族元素原子的价电子层结构为 ，常见的氧化钛为IV，此时内层 轨道电子全空。此外，钛还可以表现为 +3 的氧化态。

钛失去四个电子所形成的氧化物大多数是共价型。不过通常认为 是离子型。

二氧化钛 在常温下是白色，加热后变成浅黄色。二氧化钛是带隙宽度为 3 eV 的半导体，需要 400 nm 以下的紫外光才可以激发。二氧化钛不溶于水和稀酸，微溶于碱，属于两性氧化物。

钛酸盐有钛酸根离子 ，例如 ，具有“压电效应”等物理性质。（一眼丁真，鉴定为：不如钙钛矿）

四氟化钛、四氯化钛、四溴化钛、四碘化钛的熔点分别为284℃、-25℃、39℃、150℃。四氟化钛是离子化合物，所以熔点高。四氯化钛常温下是无色液体，易挥发，具有刺激性气味。

钛除了+4的氧化态之外，还有+3的氧化态。+3的钛因为 电子构型而具有颜色，一般是紫色。

TiN 和 TiC 都是简单立方晶体结构，TiN 有离子键倾向。

TiN 为面心立方晶体结构，由金属键、共价键和离子键混合而成，同时具有金属晶体和共价晶体的特性。其熔点高达 2955℃，属于原子晶体的范畴。TiN 在 660℃ 以上的温度中才会被明显氧化。

MAX 相相属于六方晶系，通式为 ，其中

MAX 相综合了陶瓷材料和金属材料的许多优点，包括低密度、高模量、良好的导电/导热性能、抗热震性、抗损伤容限性以及优良的抗高温氧化性能等。

在 MAX 相的基础上刻蚀去除 A 元素，可以得到通式为 的材料，这种二维材料的结构与石墨烯（Graphene）相似，故而被称为 MXene。

MXene的分类如下图所示

是最典型的 MXene 材料。

研究结果表明，Ti3C2 在 DMSO、DMF、NMP、PC、乙醇和 H2O 中都能形成稳定分散溶胶（图 1-6）。进一步对各种溶剂的性质进行总结分析，发现 Ti3C2在各种溶剂中的分散性能强烈依赖于溶剂的表面张力，Ti3C2能够在表面张力大于 40 mN/m 的溶剂中形成稳定溶胶。

二维过渡金属碳化物、氮化物或碳氮化物MXenes，是一种新兴二维层状材料，有望用于电化学储能和光电子应用。 Mxenes中电荷传输的基本理解，对于这些应用是必不可少的，但仍存在争议。虽然理论研究指出了有效带输运，但器件测量揭示了，热激活的跳跃型输运。

今日 德国马普高分子所 （Max Planck Institute for Polymer Research） Hai I. Wang，Mischa Bonn团队 Wenhao Zheng 一作在Nature Physics上发文，报道了通过结合超快太赫兹和静态电输运测量，实现了区分短程和长程输运特性，给出了两种模型Mxenes电荷输运的统一图像。研究发现，在MXene中，带状输运主导了短程的、薄片内的电荷传导，而长程的、薄片间输运，通过热激活跳跃发生，并限制了电荷在MXene薄片中的渗透。对片内载流子散射速率的分析表明，对于半导体和金属Mxenes，主要是因为小耦合常数（α 1）的纵光学声子散射。这表明在Mxenes中形成了大极化子。因此，该项研究工作，提供了MXene自由电荷极化子性质的深入了解，并揭示了MXene材料中，片内和片间传输机制，这与基础研究和应用都非常相关。

Band transport by large Fröhlich polarons in MXenes

Mxenes，Fröhlich极化子能带输运

图1：MXene样品的电荷传输测量模式和表征。

图2：半导体和金属MXene样品的静态太赫兹电导率(吸收)和超快光电导率。

图3：Nb4C3Tx Mxene温度相关太赫兹和电学测量。

图4：半导体和金属Mxenes的太赫兹电导率谱和推断散射时间。

该项研究，权衡了MXenes电荷输运机制理论和实验研究之间的争议，并提出了Mxenes电荷输运的统一图像。通过结合太赫兹和静电传输测量，实现了区分短程和长程传输特性。研究发现，带状电荷输运控制着MXene中的片内电荷输运，而片间输运通过跳跃发生，并成为电荷通过MXene薄片网络渗透的限制步骤。此外，通过分析遵循Matthiessen定律的载流子散射，发现对于半导体和金属Mxenes，载流子-LO声子散射，在片内载流子输运中占主导地位。由此产生的小载流子-LO耦合常数（α 1）表明，在Mxenes中形成了大极化子。该项工作，揭示了MXene中自由电荷的极化子性质，并揭示了MXene网络中的片内和片间传输机制。

文献链接：https://www.nature.com/articles/s41567-022-01541-y

https://www.nature.com/articles/s41567-022-01541-y.pdf

DOI: https://doi.org/10.1038/s41567-022-01541-y

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