熵驱动层状与二维碳化物有序-无序转变机制及其表面电子特性研究

在多元组分材料中，熵与焓对结构有序化的竞争机制长期存在争议。来自美国的研究团队通过合成40种含2-9种过渡金属的M4AlC3 MAX相材料，首次量化了构型熵与焓对短程有序的调控作用。研究发现当熵增突破临界值时，过渡金属原子层会实现完全无序化，这种前驱体相的有序度直接影响转化MXenes材料的表面端基（-O/-OH/-F）和电子性能，为高熵材料设计提供了热力学调控新范式。

　　

在组分复杂的材料体系中，关于焓(enthalpy)与熵(entropy)如何影响高熵材料结构有序度的争论持续存在。为揭示这一机制，研究团队创新性地制备了40种含2-9种过渡金属(M)的M₄AlC₃层状碳化物（MAX相）。通过精密表征发现：当构型熵(configurational entropy)积累不足时，焓驱动形成的短程有序(short-range order)占主导；而随着金属元素数量增加至临界值，熵增效应最终使过渡金属原子层呈现完全无序态。

更有趣的是，当将这些层状前驱体转化为二维MXenes材料时，前驱体相的有序度会"遗传"影响其表面化学特性——表现为氧(-O)、羟基(-OH)和氟(-F)端基的比例变化，并直接调控材料的电子输运性能。这项研究犹如在材料热力学领域架起一座桥梁，首次定量揭示了熵焓博弈对原子尺度有序度的调控规律，为设计新型功能化MXenes提供了关键理论支撑。