西安交通大學(xué)科研團(tuán)隊(duì)在MXene基透明導(dǎo)電電極領(lǐng)域取得新進(jìn)展

透明導(dǎo)電電極（TCE）在現(xiàn)代電子產(chǎn)品中具有極大的應(yīng)用潛力，例如觸摸屏、透明傳感器、透明天線和透明超級(jí)電容器等。單層Ti3C2Tx納米片在可見光區(qū)的透光率約為97%，且具有金屬導(dǎo)電性和親水性，能穩(wěn)定分散在水介質(zhì)中，因此可通過(guò)溶液加工法制備MXene TCE。目前MXene TCE的發(fā)展主要受到固有電導(dǎo)率低和滲流問(wèn)題的限制，即薄膜在高透光率下的電阻呈指數(shù)增長(zhǎng)。為了促進(jìn)載流子在TCE內(nèi)部快速的遷移進(jìn)而提高固有電導(dǎo)率，可通過(guò)搭建連續(xù)導(dǎo)電通路、減少晶界缺陷及提高致密度等方法設(shè)計(jì)高性能的TCE（高透明-高導(dǎo)電）。

圖一 高導(dǎo)電透明薄膜的設(shè)計(jì)思路和應(yīng)用

近日，西安交通大學(xué)電信學(xué)部電子科學(xué)與工程學(xué)院周迪教授團(tuán)隊(duì)通過(guò)優(yōu)化MXene的制備工藝，經(jīng)刻蝕-剝離-梯度離心三步法研發(fā)了一種高單層比、大尺寸且粒徑分布窄的MXene分散液，Ti3C2Tx納米片平均尺寸為12.2μm，最大尺寸可達(dá)30μm，其分散液中幾乎不含有橫向尺寸為納米級(jí)的Ti3C2Tx碎片。通過(guò)剪切力誘導(dǎo)納米片取向排列實(shí)現(xiàn)了TCE具有高度致密的微結(jié)構(gòu)（如圖一所示），該薄膜擁有良好的機(jī)械彎曲性能。此外，由大尺寸納米片組裝的薄膜與小尺寸相比，納米片間的晶界數(shù)量大量減少。因此在給定厚度下前者具有更高的電導(dǎo)率，其TCE最大電導(dǎo)率可達(dá)~20000 S/cm，同時(shí)在高透光率下無(wú)明顯滲流問(wèn)題。該工作以《合理設(shè)計(jì)碳化鈦墨汁用于透明導(dǎo)電膜》（Rational Design of MXene Inks for Conductive, Transparent Films）為題發(fā)表于國(guó)際期刊《美國(guó)化學(xué)學(xué)會(huì)?納米》（ACS Nano）。

進(jìn)一步，研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)優(yōu)化制造工藝，采用Slot-diecoating（狹縫涂布）溶液加工法實(shí)現(xiàn)了室溫規(guī)模化生產(chǎn)大面積TCE（如圖二所示），結(jié)合激光直寫技術(shù)可將各種元器件在有限的空間上集成一體化（如天線、傳感器、超級(jí)電容器等），為集成透明電子產(chǎn)品的快速生產(chǎn)和應(yīng)用帶來(lái)巨大的應(yīng)用前景。例如，Ti3C2TxTCE在透明焦耳加熱器和超級(jí)電容器領(lǐng)域分別展示了優(yōu)異的焦耳加熱效應(yīng)和高倍率性能。此外，調(diào)控工藝參數(shù)、墨汁濃度和基底類型，可制造具有極低表面粗糙度的非透明導(dǎo)電薄膜，從宏觀上展示了顯著的鏡面效應(yīng)。該工作以《碳化鈦水系墨汁用于狹縫涂布法制備大面積光滑導(dǎo)電膜》（Large-area Smooth Conductive Films Enabled by Scalable Slot-Die Coating of Ti3C2TxMXene Aqueous Inks）為題發(fā)表于國(guó)際期刊《先進(jìn)功能材料》（Advanced Functional Materials）。

圖二 狹縫涂布法制備透明導(dǎo)電膜示意圖和實(shí)物圖

論文第一作者為西安交通大學(xué)電信學(xué)部電子科學(xué)與工程學(xué)院博士生郭鐵柱，通訊作者為西安交通大學(xué)周迪教授、四川大學(xué)張傳芳教授和瑞士聯(lián)邦材料科學(xué)與技術(shù)研究所Jakob Heier教授。

審核編輯 ：李倩