突破二维金材料制备瓶颈：Ti4Au3C3合成与三层金烯的神奇诞生

在二维材料研究中，实现大尺寸二维金属片制备颇具挑战。研究人员围绕二维金材料展开研究，合成了 Ti4Au3C3并通过化学剥离得到三层金烯。该成果为研究二维金材料性质及应用提供了基础，意义重大。

　　在材料科学的广袤领域中，二维材料以其独特的性能和广泛的应用前景，成为科研人员竞相探索的热点。其中，二维金材料更是备受瞩目，金凭借其高贵的化学性质和卓越的催化能力，在生物传感、催化以及基因治疗等多个领域展现出巨大的潜力。当金被制成原子级薄的二维材料时，它呈现出诸如带隙打开、自旋轨道分裂等新奇特性，这进一步拓展了其在光电子和自旋电子器件领域的应用空间。

然而，制备二维金材料的过程困难重重。由于金倾向于形成三维金属键，将其限制在二维结构中会导致结构不稳定和重构，难以精确控制其尺寸、形状、厚度和质量。尽管科研人员已经尝试了多种物理和化学方法来制备原子级薄的金膜，但仍面临诸多挑战。在这样的背景下，为了突破二维金材料制备的瓶颈，探索多层金烯的性质和应用，研究人员开展了深入研究。

研究人员通过巧妙的实验设计，成功合成了原子层状相 Ti₄Au₃C₃。他们以 Ti₄SiC₃为模板，利用 Au 对 Si 层的取代插层反应，在高温退火的条件下，实现了 Si 层被三层 Au 原子取代，形成了 Ti₄Au₃C₃。该过程中，c 轴晶格参数显著增加，从 Ti₄SiC₃的 22.8? 增加到 Ti₄Au₃C₃的 32.5?，膨胀率达到 42.5%。

为了深入了解 Ti₄Au₃C₃的结构和性质，研究人员运用密度泛函理论（DFT）计算和分子动力学模拟（MD）进行研究。DFT 计算表明，与插入单层、双层或四层以上 Au 相比，插入三层 Au 到 Ti₄SiC₃在能量上更为有利。MD 模拟发现，Ti₄Au₃C₃中的三层 Au 存在 ABA 和 ABC 两种堆叠构型，分别对应 2H 六方密堆积（hcp）和立方密堆积（fcc）结构。这两种结构的能量相近，都具有较好的稳定性，且 hcp 结构在室温下比 fcc 结构更稳定，能量约低 50meV / 原子。

研究人员通过湿化学蚀刻的方法，从 Ti₄Au₃C₃中选择性地去除 Ti₄C₃层，成功制备出了孤立的三层金烯。该三层金烯厚度为 6.7?，具有较好的稳定性，其横向尺寸可达 100nm，甚至有望达到几微米。研究还发现，三层金烯中存在 hcp 和 fcc 两种结构，这使得其在物理和化学性质上具有独特之处。

在电子性质方面，研究人员利用 X 射线光电子能谱（XPS）对 Ti₄Au₃C₃蚀刻前后以及参考溅射蚀刻金箔进行测量。结果显示，蚀刻后的三层金烯 Au 4f 谱峰与参考金箔的峰位相近，但存在一个较弱的高能尾峰。这表明三层金烯中的最终状态效应比单层金烯弱，主要是由于三层金烯中 Au 原子的配位数相对较高。

该研究成果发表在《SCIENCE ADVANCES》上，具有重要的意义。它不仅为制备二维金材料提供了新的方法和思路，还揭示了三层金烯的独特性质，为后续研究二维金材料的物理现象和应用奠定了基础。

研究人员为开展此项研究，主要运用了以下关键技术方法：

1. 直流磁控溅射（DCMS）技术：用于在 Al₂O₃(0001) 基底上沉积 Ti₄SiC₃薄膜，以及在 Ti₄SiC₃薄膜上溅射沉积 Au 层。
2. X 射线衍射（XRD）技术：分析样品的相组成、晶体结构和取向。
3. 高分辨率扫描透射电子显微镜（HRSTEM）结合能量色散 X 射线光谱（EDX）技术：观察样品的微观结构和元素分布。
4. X 射线光电子能谱（XPS）技术：研究材料的电子性质。

研究结果如下：

1. Ti₄Au₃C₃的合成：通过 Au 覆盖的 Ti₄SiC₃薄膜退火，实现 Si 层被三层 Au 取代，形成 Ti₄Au₃C₃，其 c 轴晶格膨胀。
2. 原子堆叠：Ti₄Au₃C₃中的三层 Au 存在 hcp 和 fcc 两种堆叠构型，二者能量相近，且形成 fcc 结构时 Ti₄C₃层会发生位移。
3. 三层金烯的制备：用 0.5% Murakami 试剂和 5mM CTAB 蚀刻 Ti₄Au₃C₃，得到平均面内 Au - Au 间距为 2.86?、厚度为 6.7? 的三层金烯，且存在少量多层金烯。
4. DFT 和 AIMD 研究：DFT 计算表明 hcp 和 fcc 三层金烯能量相近，AIMD 模拟显示二者在室温下都稳定，且 hcp 结构更稳定。
5. 电子性质：XPS 测量显示，蚀刻后三层金烯 Au 4f 谱峰与参考金箔相近，存在高能尾峰，且 Ti₄C₃基本被蚀刻完全。

研究结论和讨论部分指出，除了单层和三层金烯，还可能通过蚀刻 Ti₃Au₂C₂得到双层金烯。该研究提供的蚀刻方案可制备不同厚度的超薄金材料，为后续研究提供了基础。同时，通过选择合适的 MAX 相前驱体和可交换元素，有望形成新的 MAX 相及其相应的金属烯。这一系列成果为二维金材料的研究开辟了新的道路，在材料科学领域具有重要的理论和实际应用价值。