气相处理策略：迈向MXenes制备新纪元

为解决氮化物基MXenes在酸性溶液中稳定性差、传统蚀刻法难以制备的难题，研究人员创新性地采用气相沉积技术（ALD/MOCVD）构建TiN/Ga多层薄膜体系，通过退火工艺成功制备出Ti2 N MXene相。该研究突破了液相蚀刻法的局限性，为MXenes在能源存储与光电子学领域的应用开辟了新路径。

　　

在材料科学领域，MXenes作为一类由过渡金属氮化物或碳化物构成的二维材料，因其卓越的电导率、可调带隙和机械性能，被视为能源存储、传感和电子器件的革命性材料。然而，氮化物基MXenes的制备长期受限于其在酸性环境中的不稳定性——相较于碳化物基MXenes，氮化物相具有更高的形成能和更低的内聚能，导致传统氢氟酸蚀刻法几乎无法实现其可控合成。2016年科学家虽开发出熔融盐蚀刻法，但苛刻的工艺条件和环境风险仍制约着其规模化应用。

针对这一挑战，Roman G. Parkhomenko等国际研究团队在《Materials Today Advances》发表了一项突破性研究。他们摒弃传统液相蚀刻思路，首创气相处理策略：通过原子层沉积（ALD）与金属有机化学气相沉积（MOCVD）协同技术，构建TiN/Ga多层薄膜体系，再经退火诱导Ga蒸发，最终在界面处生成Ti₂
N MXene相。这一方法不仅规避了强酸使用，更实现了纳米尺度上的相结构精准调控。

研究团队采用ALD沉积TiN层（以TiCl₄
和单甲基肼为前驱体），结合MOCVD生长Ga层（三乙基镓分解），在450°C下制备具有不同Ga/TiN循环比的薄膜。通过SEM、HR-TEM、XRD和XPS等多尺度表征手段，系统分析了材料的结构演变与化学组成。

实验结果揭示三大创新发现：

1. 核心-壳结构的自发形成
   沉积态薄膜呈现独特的核壳形貌：内核为单晶TiGa₃
   相（晶面间距1.96 ?），外壳为立方TiN，界面处存在MAX相Ti₂
   GaN。这种结构源于Ga液滴在沉积过程中的动态行为——TiN层包裹Ga液滴后，Ti原子向内扩散形成TiGa₃
   核，同时Ga向外渗透至TiN壳层。

2. 退火驱动的MXene相变
   500-650°C退火使Ga蒸发，导致TiGa₃
   核消失形成中空结构。HR-TEM在界面处检测到8-11 ?的超大晶面间距，与Ti₂
   N MXene的理论值高度吻合。XPS证实退火后Ga含量从24.5 at.%骤降至1.1 at.%，Ti2p
   谱峰窄化表明Ti-Ga键断裂。

3. 导电性能的协同提升
   薄膜电阻率从300 μΩ·cm降至250 μΩ·cm，虽不能完全归因于微量MXene相的形成，但证实了Ga蒸发对TiN层致密化的促进作用。

这项研究的意义在于：

• 方法论突破：首次实现ALD/MOCVD联用制备MXenes，为纳米级二维材料合成提供新范式。
• 理论创新：揭示了Ti-Ga-N三元体系的相演变规律，特别是Ti₂
  GaN→Ti₂
  N的固态转化路径。
• 应用潜力：规避HF使用的工艺更环保，所得Ti₂
  N相在超级电容器和等离子体器件中具独特优势。

作者在讨论中指出，当前MXene产率仍受限于界面反应面积，未来可通过调制沉积参数（如脉冲时间、温度梯度）优化相分布。该工作为氮化物基MXenes的规模化制备奠定了基石，其气相处理策略有望拓展至其他MXenes体系的合成。