Since the discovery of graphene, the quest for two-dimensional (2D) materials has intensified greatly. Recently, a new family of 2D transition metal carbides and carbonitrides (MXenes) was discovered that is both conducting and hydrophilic, an uncommon combination. To date MXenes have been produced as powders, flakes, and colloidal solutions. Herein, we report on the fabrication of ∼1 × 1 cm2 Ti3C2 films by selective etching of Al, from sputter-deposited epitaxial Ti3AlC2 films, in aqueous HF or NH4HF2. Films that were about 19 nm thick, etched with NH4HF2, transmit ∼90% of the light in the visible-to-infrared range and exhibit metallic conductivity down to ∼100 K. Below 100 K, the films' resistivity increases with decreasing temperature and they exhibit negative magnetoresistance-both observations consistent with a weak localization phenomenon characteristic of many 2D defective solids. This advance opens the door for the use of MXenes in electronic, photonic, and sensing applications.

MXenes are an emerging family of highly-conductive 2D materials which have demonstrated state-of-the-art performance in electromagnetic interference shielding, chemical sensing, and energy storage. To further improve performance, there is a need to increase MXenes' electronic conductivity. Tailoring the MXene surface chemistry could achieve this goal, as density functional theory predicts that surface terminations strongly influence MXenes' Fermi level density of states and thereby MXenes' electronic conductivity. Here, we directly correlate MXene surface de-functionalization with increased electronic conductivity through in situ vacuum annealing, electrical biasing, and spectroscopic analysis within the transmission electron microscope. Furthermore, we show that intercalation can induce transitions between metallic and semiconductor-like transport (transitions from a positive to negative temperature-dependence of resistance) through inter-flake effects. These findings lay the groundwork for intercalation- and termination-engineered MXenes, which promise improved electronic conductivity and could lead to the realization of semiconducting, magnetic, and topologically insulating MXenes.

MXenes comprise a new class of solution‐dispersable, 2D nanomaterials formed from transition metal carbides and nitrides such as Ti 3 C 2 . Here, it is shown that 2D Ti 3 C 2 can be assembled from aqueous solutions into optical quality, nanometer thin films that, at 6500 S cm −1 , surpass the conductivity of other solution‐processed 2D materials, while simultaneously transmitting >97% of visible light per‐nanometer thickness. It is shown that this high conductivity is due to a metal‐like free‐electron density as well as a high degree of coplanar alignment of individual nanosheets achieved through spincasting. Consequently, the spincast films exhibit conductivity over a macroscopic scale that is comparable to the intrinsic conductivity of the constituent 2D sheets. Additionally, optical characterization over the ultraviolet‐to‐near‐infrared range reveals the onset of free‐electron plasma oscillations above 1130 nm. Ti 3 C 2 is therefore a potential building block for plasmonic applications at near‐infrared wavelengths and constitutes the first example of a new class of solution‐processed, carbide‐based 2D optoelectronic materials.

This article reviews static and dynamic interfacial effects in magnetism, focusing on interfacially driven magnetic effects and phenomena associated with spin-orbit coupling and intrinsic symmetry breaking at interfaces. It provides a historical background and literature survey, but focuses on recent progress, identifying the most exciting new scientific results and pointing to promising future research directions. It starts with an introduction and overview of how basic magnetic properties are affected by interfaces, then turns to a discussion of charge and spin transport through and near interfaces and how these can be used to control the properties of the magnetic layer. Important concepts include spin accumulation, spin currents, spin-transfer torque, and spin pumping. An overview is provided to the current state of knowledge and existing review literature on interfacial effects such as exchange bias, exchange-spring magnets, the spin Hall effect, oxide heterostructures, and topological insulators. The article highlights recent discoveries of interface-induced magnetism and noncollinear spin textures, nonlinear dynamics including spin-transfer torque and magnetization reversal induced by interfaces, and interfacial effects in ultrafast magnetization processes.21 MoreReceived 23 June 2016DOI:https://doi.org/10.1103/RevModPhys.89.025006© 2017 American Physical SocietyPhysics Subject Headings (PhySH)Research AreasHall effectMagnetic interactionsMagnetic textureMagnetismMagnetization switchingMagnetotransportMicromagnetismSpin currentCondensed Matter, Materials & Applied Physics

In this study, a transition from metallic to semiconducting-like behavior has been demonstrated in two-dimensional (2D) transition metal carbides by replacing titanium with molybdenum in the outer transition metal (M) layers of M3C2 and M4C3 MXenes. The MXene structure consists of n + 1 layers of near-close packed M layers with C or N occupying the octahedral site between them in an [MX]nM arrangement. Recently, two new families of ordered 2D double transition metal carbides MXenes were discovered, M'2M''C2 and M'2M''2C3- where M' and M'' are two different early transition metals, such as Mo, Cr, Ta, Nb, V, and Ti. The M' atoms only occupy the outer layers and the M'' atoms fill the middle layers. In other words, M' atomic layers sandwich the middle M''-C layers. Using X-ray atomic pair distribution function (PDF) analysis on Mo2TiC2 and Mo2Ti2C3 MXenes, we present the first quantitative analysis of structures of these novel materials and experimentally confirm that Mo atoms are in the outer layers of the [MC]nM structures. The electronic properties of these Mo-containing MXenes are compared with their Ti3C2 counterparts, and are found to be no longer metallic-like conductors; instead the resistance increases mildly with decreasing temperatures. Density functional theory (DFT) calculations suggest that OH terminated Mo-Ti MXenes are semiconductors with narrow band gaps. Measurements of the temperature dependencies of conductivities and magnetoresistances have confirmed that Mo2TiC2Tx exhibits semiconductor-like transport behavior, while Ti3C2Tx is a metal. This finding opens new avenues for the control of the electronic and optical applications of MXenes and for exploring new applications, in which semiconducting properties are required.

MXenes, an emerging family of 2D transition metal carbides and nitrides, have shown promise in various applications, such as energy storage, electromagnetic interference shielding, conductive thin films, photonics, and photothermal therapy. Their metallic nature, wide range of optical absorption, and tunable surface chemistry are the key to their success in those applications. The physical properties of MXenes are known to be strongly dependent on their surface terminations. In this study, we investigated the electronic properties of Ti3C2Tx for different surface terminations, as achieved by different annealing temperatures, with the help of photoelectron spectroscopy, inverse photoelectron spectroscopy, and density functional theory calculations. We find that fluorine occupies solely the face-centered cubic adsorption site, whereas oxygen initially occupies at least two different adsorption sites, followed by a rearrangement after fluorine desorption at high annealing temperatures. The measured electronic structure of Ti3C2Tx showed strong dispersion of more than 1 eV, which we conclude to stem from Ti–O bonds by comparing it to calculated band structures. We further measured the work function of Ti3C2Tx as a function of annealing temperature and found that it is in the range of 3.9–4.8 eV, depending on the surface composition. A comparison of the experimental work function to detailed density functional theory calculations shows that the measured value is not simply an average of the work function values of uniformly terminated Ti3C2 surfaces but that the interplay between the different surface moieties and their local dipoles plays a crucial role.

MXenes are a rapidly growing class of 2D transition metal carbides and nitrides, finding applications in fields ranging from energy storage to electromagnetic interference shielding and transparent conductive coatings. However, while more than 20 carbide MXenes have already been synthesized, Ti4N3 and Ti2N are the only nitride MXenes reported so far. Here by ammoniation of Mo2CTx and V2CTx MXenes at 600 °C, we report on their transformation to 2D metal nitrides. Carbon atoms in the precursor MXenes are replaced with N atoms, resulting from the decomposition of ammonia molecules. The crystal structures of the resulting Mo2N and V2N were determined with transmission electron microscopy and X-ray pair distribution function analysis. Our results indicate that Mo2N retains the MXene structure and V2C transforms to a mixed layered structure of trigonal V2N and cubic VN. Temperature-dependent resistivity measurements of the nitrides reveal that they exhibit metallic conductivity, as opposed to semiconductor-like behavior of their parent carbides. As important, room-temperature electrical conductivity values of Mo2N and V2N are three and one order of magnitude larger than those of the Mo2CTx and V2CTx precursors, respectively. This study shows how gas treatment synthesis such as ammoniation can transform carbide MXenes into 2D nitrides with higher electrical conductivities and metallic behavior, opening a new avenue in 2D materials synthesis.

We have measured the oxygen positions in ${\text{LaNiO}}_{3}$ films to elucidate the coupling between epitaxial strain and oxygen octahedral rotations. The oxygen positions are determined by comparing the measured and calculated intensities of half-order Bragg peaks, arising from the octahedral rotations. Combining ab initio density-functional calculations with these experimental results, we show how strain systematically modifies both bond angles and lengths in this functional perovskite oxide.