碱金属

碱金属是指在元素周期表中第IA族的六个金属元素：锂、钠、钾、铷、铯、钫。碱金属均有一个属于s轨道的最外层电子，因此这一族属于元素周期表的s区。碱金属的化学性质显示出十分明显的同系行为，是元素周期性的最好例子。 大多数碱金属有多种用途。铷或铯的原子钟是纯碱金属最著名的应用之一，其中以铯原子钟最为精准。钠化合物较为常见的一种用途是制作钠灯，一种高效光源。钠和钾是生物体中的电解质，具有重要的生物学功能，属于膳食矿物质。 由于碱金属原子的最外层电子只受到一个有效电荷作用，且失去一个电子后能形成稳定的稀有气体电子构型，因此碱金属的第一电离能是同周期元素中最低的。碱金属元素的第二电离能远高于第一电离能，因为第二易解离的电子位于一个全充满的电子轨道中，因此难以电离。 那么，碱金属原子光谱检测应该如何实现呢？日立PS3500DDII系列电感耦合等离子发射光谱仪能够有效地对应材料中碱性金属元素的测量。以往ICP由于碱金属波长干扰问题较大，其盐类化合物对进样系统的盐化度，样品中碱金属易受污染等问题。日立PS3500DDII系列ICP拥有全球顶级分辨率0.003纳米及超灵敏度双分光器，能够同时解决背景和波长的干扰，元素发光信号弱，高盐样品的应对等问题，为各类材料中碱金属的检测方案提供强有力的技术后盾。关于该应用的详细信息，请参考链接：http://www.instrument.com.cn/netshow/SH100718/s810039.htm关于该应用及涉及到的仪器，请联系：日立仪器（上海）有限公司 021-50273533 关于日立高新技术公司： 日立高新技术公司，于2013年1月，融合了X射线和热分析等核心技术，成立了日立高新技术科学。以“光”“电子线”“X射线”“热”分析为核心技术，精工电子将本公司的全部股份转让给了株式会社日立高新，因此公司变为日立高新的子公司，同时公司名称变更为株式会社日立高新技术科学，扩大了科学计测仪器领域的解决方案。日立高新技术集团产品涵盖半导体制造、生命科学、电子零配件、液晶制造及工业电子材料，产品线更丰富的日立高新技术集团，将继续引领科学领域的核心技术。更多信息敬请关注：http://www.instrument.com.cn/netshow/SH102446/

日前，中科院长春光机所在国内首次研制出碱金属原子光学传感技术专用的795nm和894nm 垂直腔面发射激光器(VCSEL)。该器件采用完全自主的结构设计、材料生长和芯片工艺研制而成，芯片体积仅为0.05立方毫米(0.5mmx0.5mmx0.2mm)。器件高稳定单模态激光输出高于0.2毫瓦，工作电流低于1.5毫安，功耗低于3毫瓦，工作温度超过100℃，可作为核心光源用于芯片级原子钟、原子磁力计、原子陀螺仪等碱金属原子传感器。　　基于原子光学技术的精密传感需要一些特定的波长(如795nm和894nm等)并且满足窄线宽、低功耗、可直接调制、单模和稳定偏振态的光源来激发碱金属原子。传统灯泵浦光源方案的传感器存在的体积大、功耗高、稳定性差等问题一直是困扰原子光学传感器小型化的主要难题。垂直腔面发射激光器(VCSEL)作为一种新型的半导体激光器，具有窄线宽、低功耗、高调制频率、小体积和容易集成等特征，因此基于VCSEL的相干布居俘获(CPT)方法使得原子光学器件的微型化和低功耗应用成为可能。　　目前，国外只有个别实验室和公司具有制作该类原子光学传感器专用VCSEL的能力。中科院长春光机所大功率半导体激光组在十余年研究基础上成功制备出性能符合要求的VCSEL器件，为国内原子传感器的研制提供了必需的核心元器件并掌握了自主知识产权，目前正在与国内相关单位开展合作研究，促进芯片级原子传感器的产品开发。这些产品将应用于航天、国防以及民用领域，例如：精密计时技术、单兵卫星精确定位，长航时远距离惯性导航，高灵敏度水下金属磁场测量等。　　 795nm VCSEL 芯片(左)和TO46封装器件(右)

【科学背景】随着先进材料科学的快速发展，过渡金属碳化物因其在高熔点、高热导率和优异机械性能方面的独特优势，引起了科学家的广泛关注。过渡金属碳化物，如TiC、WC和HfC，在高温环境下的稳定性和性能使其在能源及极端环境应用中表现出色。然而，如何精确控制这些材料的相稳定性和性能，以满足实际应用的需求，仍然是一个重要的研究难题。过渡金属碳化物的相控制涉及到许多挑战，特别是在纳米尺度下的相稳定性控制。虽然一些方法如碳空位引入、快速加热和贵金属装饰等为改性这些材料的固有行为提供了工具，但对相-性能关系的精确控制仍存在困难。当前的研究往往依赖于低温烧结或闪烁技术来控制相，但这些方法尚未能在高温下实现理想的相稳定性。2011年MXenes的引入将过渡金属碳化物拓展到了二维领域，这一发展为材料科学提供了一系列新型的少原子厚度（约1纳米厚）且可溶液加工的过渡金属碳化物。MXenes的化学多样性体现在其Mn+1XnTx的广泛公式中，其中包含各种3d&minus 5d族过渡金属和碳/氮层，具有丰富的表面基团，如&minus O、&minus (OH)、&minus Cl和&minus F。这些表面基团来自MXenes自上而下的可扩展合成方法，这使得单层到少层MXene片能够以高稳定性存在于分散液中。早期对MXenes及其混合复合材料的研究探讨了它们在能源应用中的潜力，例如在碱金属离子电池中的应用。MXenes的层状结构和高电导率使其在电化学领域表现出色。然而，对于碱金属离子与MXenes表面基团及其缺陷位点的相互作用的理解仍不完全。尽管已有研究指出碱金属离子能够在层间迁移并与MXenes表面结合，但迄今为止尚无研究系统性地评估这些离子在表面基团和缺陷位点中的优先占据。为了填补对碱金属离子在缺陷位点占据的理解差距，美国普渡大学Babak Anasori教授团队首先证明了碱金属离子倾向于占据Ti3C2Tx MXene基面上的过渡金属原子空位。随后，研究展示了这些离子如何通过占据空位来有效控制高温下的相变，进一步稳定MXenes。此外，本研究还在复杂的Mo2TiC2Tx MXene中验证了这一行为，通过确定缺陷区域的γ-Mo2C晶体形成以及使用碱金属离子抑制这一生长。通过结合原位X射线衍射（XRD）、扫描透射电子显微镜（STEM）、外部原子层分辨的二次离子质谱（SIMS）、热重分析（TGA）、X射线光电子能谱（XPS）方法以及密度泛函理论（DFT）模拟，本研究为碱金属离子在二维MXenes中的缺陷工程应用奠定了基础，并为高温稳定的能量或极端环境材料的进一步应用提供了新思路。【科学亮点】1. 实验首次观察到碱金属离子倾向于占据Ti3C2Tx MXene基面上的过渡金属原子空位。这一发现是通过原位X射线衍射（XRD）、扫描透射电子显微镜（STEM）和外部原子层分辨的二次离子质谱（SIMS）技术实现的。2. 实验通过碱金属离子在基面空位缺陷位点的占据，有效控制了MXenes在高温下的相变。这种控制显著提高了MXenes的相稳定性，抑制了相变过程中Ti3C2Tx的C损失，进一步验证了碱金属离子在高温环境中的稳定作用。3. 实验还展示了这一行为在更复杂的Mo2TiC2Tx MXene中，通过分析γ-Mo2C晶体在相变Mo2TiC2Tx中的局部形成，并利用碱金属离子抑制γ-Mo2C在缺陷位点周围的生长。该实验结合了TGA数据和DFT模拟，证明了碱金属离子在高温条件下对MXenes的相稳定性和结构完整性的增强作用。【科学图文】图1：层层SIMS分析过度刻蚀的Ti3C2Tx上装饰的碱金属阳离子。图2：通过碱金属阳离子稳定缺陷来控制Ti3C2Tx MXene的相。图3：Mo2TiC2Tx的片层尺度相行为。图4：阳离子占据及阳离子装饰的Mo2TiC2Tx的相行为。【科学结论】本文的研究揭示了碱金属离子在Ti3C2Tx和Mo2TiC2Tx MXenes中的重要作用，特别是在高温环境下的相稳定性和缺陷控制方面。首先，碱金属离子可以优先占据MXenes基面上的过渡金属空位，这一机制有效地控制了MXenes在高温下的相变过程，从而稳定了材料结构。这一发现对理解MXenes的高温行为具有重要意义，并为设计高温稳定的MXenes材料提供了新的思路。其次，碱金属离子的引入显著减少了相变过程中的碳损失，增强了MXenes的稳定性。这一结果表明，利用离子装饰可以优化材料的相稳定性和性能，为高温应用中的材料设计提供了新的策略。最后，本研究还展示了如何通过精确的缺陷工程来调控MXenes的相变，这一方法不仅适用于MXenes，还可能扩展到其他二维材料或纳米晶陶瓷体系中。这为未来在极端环境条件下的材料开发提供了宝贵的理论基础和实践指南。原文详情：Wyatt, B.C., Boebinger, M.G., Hood, Z.D. et al. Alkali cation stabilization of defects in 2D MXenes at ambient and elevated temperatures. Nat Commun 15, 6353 (2024). https://doi.org/10.1038/s41467-024-50713-2