透明导电电极（TCE）在现代电子产品中具有极大的应用潜力，例如触摸屏、透明传感器、透明天线和透明超级电容器等。单层Ti3C2Tx纳米片在可见光区的透光率约为97%，且具有金属导电性和亲水性，能稳定分散在水介质中，因此可通过溶液加工法制备MXene TCE。目前MXene TCE的发展主要受到固有电导率低和渗流问题的限制，即薄膜在高透光率下的电阻呈指数增长。为了促进载流子在TCE内部快速的迁移进而提高固有电导率，可通过搭建连续导电通路、减少晶界缺陷及提高致密度等方法设计高性能的TCE（高透明-高导电）。
图一 高导电透明薄膜的设计思路和应用
近日，西安交通大学电信学部电子科学与工程学院周迪教授团队通过优化MXene的制备工艺，经刻蚀-剥离-梯度离心三步法研发了一种高单层比、大尺寸且粒径分布窄的MXene分散液，Ti3C2Tx纳米片平均尺寸为12.2μm，最大尺寸可达30μm，其分散液中几乎不含有横向尺寸为纳米级的Ti3C2Tx碎片。通过剪切力诱导纳米片取向排列实现了TCE具有高度致密的微结构（如图一所示），该薄膜拥有良好的机械弯曲性能。此外，由大尺寸纳米片组装的薄膜与小尺寸相比，纳米片间的晶界数量大量减少；因此在给定厚度下前者具有更高的电导率，其TCE最大电导率可达~20000 S/cm，同时在高透光率下无明显渗流问题。该工作以题为“合理设计碳化钛墨汁用于透明导电膜、Rational Design of MXene Inks for Conductive, Transparent Films”发表在国际期刊ACS Nano（美国化学学会•纳米）。
进一步，通过优化制造工艺，采用Slot-diecoating（狭缝涂布）溶液加工法实现了室温规模化生产大面积TCE（如图二所示），结合激光直写技术可将各种元器件在有限的空间上集成一体化（如天线、传感器、超级电容器等），为集成透明电子产品的快速生产和应用带来巨大的应用前景。例如，Ti3C2Tx TCE在透明焦耳加热器和超级电容器领域分别展示了优异的焦耳加热效应和高倍率性能。此外，调控工艺参数、墨汁浓度和基底类型，可制造具有极低表面粗糙度的非透明导电薄膜，从宏观上展示了显著的镜面效应。该工作以题为“碳化钛水系墨汁用于狭缝涂布法制备大面积光滑导电膜、Large-area Smooth Conductive Films Enabled by Scalable Slot-Die Coating of Ti3C2Tx MXene Aqueous Inks”发表在国际期刊Advanced Functional Materials（先进功能材料）。
图二 狭缝涂布法制备透明导电膜示意图和实物图
论文第一作者为西安交通大学电信学部电子科学与工程学院博士生郭铁柱，通讯作者为西安交通大学周迪教授、四川大学张传芳教授和瑞士联邦材料科学与技术研究所Jakob Heier教授。研究工作得到了陕西省国际合作项目、中央高校基本科研项目和国家留学基金委等项目的支持。
论文链接：https://doi.org/10.1021/acsnano.2c11180
https://doi.org/10.1002/adfm.202213183
编辑：喻弘萱
