AM綜述:2D過渡金屬碳化物(MXenes)作為導電材料的應用

2021-01-15 半個導體


自2011年被發現以來，基於MXenes的2D過渡金屬碳化物、氮化物和碳氮化物因其出色的導電性、重量輕、柔韌性好、透明度高、表面化學可調諧以及易於溶液加工而吸引了全球科學家的目光。


近日，韓國科學技術研究院（KIST）Chong Min Koo從實驗和理論兩個角度綜述了二維MXenes在設計導電材料方面的應用前景，包括電磁幹擾屏蔽、柔性光電子學、傳感器和加熱器等。


文章要點

1）MXenes的電子性質是由其晶體結構、組成和表面官能化來決定。為了理解大多數MXenes (Ti3C2Tx，Sc2CTx，Ti3CNTx)的金屬性質背後的原因，研究其結構與性質的關係至關重要。人們已經通過理論模型對其內在機制進行了大量的研究，這些理論模型後來得到了實驗結果的證實。此外，精準控制合成過程對於將缺陷風險降至最低具有重要意義，而缺陷可能會對最終的MXenes電學性能產生不利影響。基於以上，作者首先總結了不同MXenes的晶體結構、結構表徵和電學性質。


2）MXenes具有從5000到超過15000 S cm−1的出色金屬導電性，從而在具有優異導電性的領域得到了廣泛應用。作者總結了將MXenes用作高導電性材料的主要應用領域。高導電性的MXenes的電磁屏蔽性能優於現有所有厚度相當的導電材料(厚度可調整至數十納米)，這使其成為輕質屏蔽材料的理想選擇。與其他導電納米材料相比，高導電性的MXene薄膜具有更大的優值係數，這表明它在光電子器件中有很大的應用潛力。其他特性，如良好的導電性可控性、更大的表面積和合理的層間距，提高了傳感設備(應變傳感器、電化學傳感器和氣體傳感器)的靈敏度、選擇性、速度和穩定性這四個基本效率標準。MXene的靈活性進一步強化了其對可穿戴傳感設備的重要性。優異的導電性、透明性、靈活性和溶液加工性也為可穿戴式熱水器領域的材料設計提供了大量機會。


3）作者最後指出了MXenes研究目前面臨的挑戰以及未來研究方向。包括，MXenes的氧化穩定性是實際應用中需要克服的主要挑戰。而表面功能化的MXenes的有機分散體確保了氧化的長期穩定性。因此必須開發高度穩定的抗氧化MXene有機分散體(或油墨)，不僅是為了提高其氧化穩定性，也是為了規模化生產電子器件。


 

Faisal Shahzad, et al, 2D Transition Metal Carbides (MXenes): Applications as an Electrically Conducting Material, Adv. Mater. 2020

DOI: 10.1002/adma.202002159

https://doi.org/10.1002/adma.202002159



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