Materials innovation has continuously shaped technological progress, from early bronze metallurgy to modern semiconductor engineering. In the pursuit of miniaturized and sustainable technologies, two-dimensional (2D) materials have emerged as a promising platform due to their reduced dimensionality and tunable properties. This thesis contributes to both the discovery of novel 2D materials and their performance optimization through structural engineering.

The discovery of new compounds focuses on MBenes, 2D borides derived from MAB phases through molten salt etching. A theoretical screening framework is developed to identify promising MAB precursors and suitable salts for selective etching, and by combining theoretical and experimental approaches, further insights into etching mechanisms and the role of different molten salts were revealed (Paper V). The experimental selective etching of Ti2InB2 into a multilayer (ml) Ti2B2Clx MBene was investigated in detail in Paper III, where the Ti2InB2-to-ml-MBene conversion was indicated to occur through direct biphasic transformation without intermediate phases. In addition, Paper IV studies the influence of surface terminations (T = O, Cl, Br, and I) on the structural, mechanical, and electronic properties of 2D Ti2B2Tx MBenes. The first-principles simulations suggested that surface termination engineering is as a powerful route for tailoring their functional properties and MBenes’ potential use in energy-related applications, including photovoltaics.

This work also demonstrates defect- and alloy-engineering strategies for tailoring 2D MBenes and MXenes (transition metal carbides and nitrides). Papers I and II introduce the concept of generating random vacancies in MXenes by incorporating Cr as a sacrificial element in the parent MAX phase. The resulting Mo2-xCTz MXenes, with varying defect concentrations, exhibited shorter etching times and enhanced specific electrochemical capacitance values. In addition, the rate capability varied with defect content, indicating that the Cr content can be further modulated to achieve optimized electrochemical performance. Extending this concept to the newly synthesized ml-MBenes, Paper VI presents the synthesis of 3D (Ti1-xHfx)2InB2 and ml-(Ti1-xHfx)2B2Clx boride alloys, in which the properties could be tuned by varying the Ti/Hf ratio. Collectively, these results establish defect and compositional engineering as viable routes for tailoring the structure and properties of 2D nanomaterials for various applications.

By integrating computational prediction with experimental realization, this thesis advances the discovery, synthesis, and functional optimization of laminated carbide and boride systems and their 2D derivatives, MXenes and MBenes.

Innovationer baserade på nya material har drivit den tekniska utvecklingen – från bronsålderns metallurgi till dagens avancerade halvledarteknik. I jakten på mindre volymer av material och mer hållbara teknologier har tvådimensionella (2D) material vuxit fram som ett lovande alternativ tack vare en supertunn struktur och justerbara egenskaper. Den här avhandlingen bidrar både till upptäckt av nya 2D-material och optimering av deras egenskaper och prestanda, möjliggjort genom strukturell design.

Den första delen av det arbete som genomförts fokuserar på 2D-borider (MBener) som framställs från MAB-faser genom etsning i smälta salter. Ett teoretiskt ramverk tas fram för att identifiera lovande MAB-faser för etsning och tillhörande lämpliga salter (Paper V). Den experimentella verifieringen av selektiv etsning av Ti₂InB₂ till en multilagrad (ml) struktur av Ti₂B₂Cl_x-MBen studerades i detalj i Paper III. Genom att kombinera teori och experiment gavs nya insikter om mekanismer bakom etsningen och om hur olika smälta salter påverkar processen. Till exempel visade resultaten att omvandlingen från Ti₂InB₂ till ml-MBen sker genom en direkt fasomvandling, vilket skiljer sig något från reaktioner hos vanliga MXener, som ofta går via mellanliggande faser när de bildas. I Paper IV undersöks dessutom hur olika termineringsgrupper (T = O, Cl, Br och I) påverkar de strukturella, mekaniska och elektroniska egenskaperna hos 2D Ti₂B₂T_x-MBener. Simuleringar pekar på att ytfunktionalisering är en kraftfull metod för att styra materialens egenskaper och deras möjliga användningsområden, till exempel för energirelaterade tillämpningar, inklusive solceller.

Arbetet visar också hur defekt- och legeringsdesign kan användas i 2D-MBener och MXener. I Paper I och II introduceras idén att skapa slumpmässiga vakanser i 2D-MXener genom att tillsätta Cr i den ursprungliga MAX-fasen, för vilken Cr etsas bort och bildar vakanser när 2D-materialet skapas. De resulterande Mo_2-xCT_z-MXenerna, med varierande defekthalter, uppvisade kortare etsningstider och förbättrade elektrokemiska kapacitansvärden. Även förmågan att leverera ström vid högre hastigheter varierade med defekthalten, vilket visar att justering av Cr-innehållet kan vara en väg mot optimerad elektrokemisk prestanda. Genom att överföra detta koncept till nya borider, så visar Paper VI syntes av- boridlegeringar i form av 3D-(Ti_1-xHf_x)₂InB₂ och ml-(Ti_1-xHf_x)₂B₂Cl_x, där egenskaperna kan finjusteras genom olika Ti/Hf-förhållanden. Sammantaget visar resultaten att design av defekter och ett materials sammansättning är effektiva strategier för att skräddarsy struktur och egenskaper hos 2D-nanomaterial för olika tillämpningar.

Genom att kombinera beräkningsbaserade förutsägelser med experimentell verifiering bidrar avhandlingen till utveckling av nya laminerade karbid- och boridmaterial samt deras motsvarande 2D-material, MXener och MBener, och till att optimera deras funktionella egenskaper.

From the development of bronze to the doping of silicon, the discovery and enhancement of materials have played a critical role in enabling disruptive technologies. With the increasing demand for device miniaturization and sustainability, two-dimensional (2D) nanomaterials have gained significant attention since the discovery of graphene, owing to their unique morphology and size. Among these, MXenes exhibit exceptional structural and chemical diversity, making them promising for various applications, such as energy storage and catalysis. 

Despite substantial progress, optimizing the properties of nanomaterials remains essential for overcoming current technological challenges. One strategy for this optimization is defect engineering, which involves the intentional creation of structural defects, such as vacancies. Currently, MXene properties can be modified by altering their composition (e.g., metal elements and/or surface terminations) and introducing ordered vacancies with fixed defect fractions. This thesis presents an alternative approach: the creation of randomly distributed vacancies and vacancy clusters with tunable defect content. 

Paper I introduces the concept of generating random vacancies in 2D MXenes by incorporating a sacrificial element in the parent MAX phase. Specifically, the Mo2Ga2C MAX phase was alloyed with Cr and etched in an HF solution, removing both Cr and Ga atoms. The resulting Mo2-xCTz MXenes exhibited surface defects and enhanced capacitance values. Paper II further expands this approach, demonstrating that varying the Cr content in the precursor results in MXenes with different defect fractions. The limits of Cr incorporation in the precursor phases were investigated through both simulations and experiments. Additionally, 2D MXenes with varying defect concentrations were synthesized, and electrochemical characterizations indicated that the defect concentration could be optimized for superior performance. 

These findings suggest that this defect engineering strategy provides a viable pathway to control defect concentrations and tune MXene properties. In principle, this approach could be extended to other MAX phases and sacrificial elements, unlocking new possibilities for the development of MXenes with novel and enhanced properties.  

Från utveckling av brons till dopning av kisel har upptäckter och förbättringar av material haft en avgörande roll för att möjliggöra banbrytande teknologier. Med ökade krav på t.ex. allt mindre komponenter och hållbarhet har två-dimensionella (2D) material fått allt större uppmärksamhet på grund av en unik morfologi och unika egenskaper. Bland 2D-material uppvisar MXener en stor kemisk mångfald, vilket gör dem lovande för en mängd tillämpningar, såsom energilagring och katalys.

Trots betydande framsteg är det viktigt att fortsätta optimera materialegenskaper, för att lösa nuvarande tekniska utmaningar. En strategi för att trimma materialegenskaper är defektdesign, som handlar om att avsiktligt skapa strukturella defekter, såsom vakanser. Nuförtiden kan egenskaper hos så kallade MXener modifieras genom att ändra materialets sammansättning (t.ex. val av metall och/eller yttermineringar) och introducera ordnade vakanser i specifika defektkoncentrationer. Denna avhandling presenterar ett alternativt tillvägagångssätt: skapandet av slumpmässigt fördelade vakanser och vakanskluster med skräddarsydd defektkoncentration.

Artikel I introducerar konceptet att generera slumpmässigt fördelade vakanser i 2D MXener genom att blanda in ett extra atomslag i den ursprungliga MAX-fasen, som sedan omvandlas till 2D. För att sammanfatta, så legerades Mo2Ga2C med Cr och etsades sedan i en HFlösning, vilket avlägsnade både Cr och Ga. Detta resulterade i Mo2-xCTz MXener, med påvisade defekter och förbättrade kapacitansvärden. I Artikel II utökades detta tillvägagångssätt ytterligare, vilket visar att olika Cr-innehåll i ursprungsmaterialet resulterar i MXener med olika defektkoncentrationer. Gränserna för Cr-innehåll i MAX-fasen undersöktes genom både simuleringar och experiment. Dessutom syntetiserades 2D MXener med varierande defektkoncentrationer, och elektrokemisk karakterisering indikerade att defektkoncentrationen kunde optimeras för att få betydligt förbättrade egenskaper.

Presenterade resultat tyder på defektdesign som en möjlig väg för att kontrollera defektkoncentrationer och optimera MXene-egenskaper. I princip skulle denna strategi kunna utvidgas till andra MAX-faser och andra atomslag, vilket öppnar för nya möjligheter vad gäller utveckling av MXener med nya och förbättrade egenskaper.