Defect Migration and Phase Transformations in Two-Dimensional Iron Chloride inside Bilayer Graphene

材料科学 石墨烯 双层石墨烯 双层 化学物理 相(物质) 凝聚态物理 纳米技术 化学 物理 生物化学 有机化学
作者
Qiunan Liu,Haiming Sun,Yung‐Chang Lin,Mahdi Ghorbani‐Asl,Silvan Kretschmer,Chi-Chun Cheng,Po‐Wen Chiu,Hiroki Ago,Arkady V. Krasheninnikov,Kazu Suenaga
出处
期刊:ACS Nano [American Chemical Society]
标识
DOI:10.1021/acsnano.4c16177
摘要

The intercalation of metal chlorides, and particularly iron chlorides, into graphitic carbon structures has recently received lots of attention, as it can not only protect this two-dimensional (2D) magnetic system from the effects of the environment but also substantially alter the magnetic, electronic, and optical properties of both the intercalant and host material. At the same time, intercalation can result in the formation of structural defects or defects can appear under external stimuli, which can affect materials performance. These aspects have received so far little attention in dedicated experiments. In this study, we investigate the behavior of atomic-scale defects in iron chlorides intercalated into bilayer graphene by using scanning transmission electron microscopy and first-principles calculations. We observe transformations between the FeCl2 and FeCl3 phases and elucidate the role of defects in the transformations. Specifically, three types of defects are identified: Fe vacancies in FeCl2 domains and Fe adatoms and interstitials in FeCl3 domains, each exhibiting distinct dynamic behaviors. We also observed a crystalline phase with an unusual stoichiometry of Fe5Cl18 that has not been reported before. Our findings not only advance the understanding of intercalation mechanism of 2D materials but also highlight the profound impact of atomic-scale defects on their properties and potential technological applications.
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