西安交通大學科研團隊在MXene基透明導電電極領域取得新進展

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

圖一 高導電透明薄膜的設計思路和應用

近日，西安交通大學電信學部電子科學與工程學院周迪教授團隊通過優(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30μm，其分散液中幾乎不含有橫向尺寸為納米級的Ti3C2Tx碎片。通過剪切力誘導納米片取向排列實現(xiàn)了TCE具有高度致密的微結構（如圖一所示），該薄膜擁有良好的機械彎曲性能。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率，其TCE最大電導率可達~20000 S/cm，同時在高透光率下無明顯滲流問題。該工作以《合理設計碳化鈦墨汁用于透明導電膜》（Rational Design of MXene Inks for Conductive, Transparent Films）為題發(fā)表于國際期刊《美國化學學會?納米》（ACS Nano）。

進一步，研究團隊通過優(yōu)化制造工藝，采用Slot-diecoating（狹縫涂布）溶液加工法實現(xiàn)了室溫規(guī)?；a大面積TCE（如圖二所示），結合激光直寫技術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、超級電容器等），為集成透明電子產品的快速生產和應用帶來巨大的應用前景。例如，Ti3C2TxTCE在透明焦耳加熱器和超級電容器領域分別展示了優(yōu)異的焦耳加熱效應和高倍率性能。此外，調控工藝參數(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電薄膜，從宏觀上展示了顯著的鏡面效應。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電膜》（Large-area Smooth Conductive Films Enabled by Scalable Slot-Die Coating of Ti3C2TxMXene Aqueous Inks）為題發(fā)表于國際期刊《先進功能材料》（Advanced Functional Materials）。

圖二 狹縫涂布法制備透明導電膜示意圖和實物圖

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

審核編輯 ：李倩