成果簡介
柔性透明導體是可穿戴器材的基本要求，如電子皮膚（E-skin），可促進人類互動和生物反饋。然而，由於高導電性和光學透明度之間的 "權衡 "效應，很難獲得具有高導電性的透明電子皮膚。此外，傳統的透明導體又笨又脆，不適合柔性和可穿戴套用。 本文，青島大學苗錦雷等研究人員在【Carbon】期刊 發表名為「Flexible, transparent and conductive wearable electronic skin based on 2D titanium carbide (MXene) ink」的論文 ，研究提出了具有金屬導電性、親水性表面和優異機械柔韌性的超薄二維碳化鈦（MXene）納米片作為新型高效能透明導體，並將其進一步開發為可穿戴電子皮膚。
透過簡單地蝕刻MAX相中的鋁，獲得了可溶液加工的MXene導電墨水，並透過大規模噴塗獲得了柔性透明導體。這種基於 MXene 的柔性透明導電電極的片電阻低至 200 Ω/sq，同時具有 60% @550 nm 的高光學透明度，足以滿足電子皮膚的套用要求。此外，透明的 MXene 軟電子薄膜還具有出色的機械柔韌性，即使經過 1000 次迴圈彎曲測試，仍能保持較高的光電效能。此外，堅固耐用的柔性透明 MXene 電子薄膜還能準確辨識人體動作，包括接近、觸摸和按壓，這正是人機互動、輕觸式熒幕和醫療傳感器等各種套用場景的基本要求。這種可溶液加工的柔性、透明和導電 MXene 電子皮膚在新興的可穿戴套用中具有巨大的潛力。
圖文導讀
圖1. (a) 透過噴塗制造基於 MXene 的 TCE，(b) 基於 MXene 的電子皮膚在人機互動、觸控面板和個人化醫療中的可穿戴套用，以及 (c) MAX 相Ti3AlC2的蝕刻過程以制造超薄二維 MXene 納米片的示意圖。(d) 充分分散的 MXene 導電墨水的照片。(e) HCl/LiF 蝕刻後的T3AlC2的掃描電鏡影像，其分層結構類似器官；以及 (f) 超聲處理後的單層T3C2TX-MXene納米片。
圖2. (a) XRD patterns of MAX phase T3AlC2 and T3C2TX-MXene nanosheets, (b) TEM images of T3C2TX-MXene nanosheets with high optical transparency, (c) 單層 MXene 納米片的原子力顯微鏡顯微影像和相應的高度剖面圖
圖3. (a) 將二維 MXene 納米片組裝成 TCE 的示意圖。(b) 初始狀態和 (c) 終極狀態下組裝的 MXene 納米片的掃描電鏡影像。(d) MXene 基 TCE 的掃描電鏡影像，其相互連線的納米片形態均勻。(e、f）幹燥後的 MXene 基 TCE 的掃描電鏡影像。(g）MXene 基 TCE 的掃描電鏡影像和相應的 EDS 圖譜
圖4. (a) 不同片狀電阻的 MXene 基 TCE 在波長 300-1100 納米範圍內的透明光譜。(b) 基於 MXene 的 TCE 的照片。
圖5. (a) 機械變形測試前後的 MXene 基 TCE 照片。(b) 基於 MXene 的 TCE 的機械變形過程示意圖。(c) 不同彎曲半徑下片層電阻隨彎曲過程的變化。(d) 在半徑為 5 毫米的彎曲試驗中進行 1000 次迴圈時薄片電阻的變化（插圖為在 500-510 次迴圈彎曲試驗中薄片電阻的變化）
圖6. (a) 基於 MXene 基 TCE 的可穿戴電子皮膚的結構示意圖和 (b) 其制造過程。(c) 具有高光學透明度的 MXene 基電子皮膚的照片。(d) 基於 MXene 的電子皮膚用於即時醫療監測。(e) 基於 MXene 的電子皮膚的壓力-相對電容變化圖。(f) 1000 次加壓/釋放過程中 MXene 電子皮膚的相對電容變化。(g)200-205、(h)800-805 次加壓/釋放過程中基於 MXene 的電子薄膜的相對電容變化
圖7. 用於可穿戴套用的柔性、透明和導電 MXene 電子皮膚。(a) 手腕彎曲時的電容訊號監測。(b) 手指觸摸時的電容訊號監測。(c) 電子皮膚的可穿戴套用示意圖。(d) 手掌靠近時的電容訊號監測。
小結
在這項工作中，成功開發了基於超薄二維T3C2TX-MXene 納米片的高效能柔性、透明和導電電子皮膚。從 MAX 相T3AlC2中蝕刻出了可溶液加工的二維 T3C2TX-MXene 納米片，透過簡便的噴塗策略獲得了用於制造柔性 TCE 的高質素導電墨水。二維T3C2TX-MXene 納米片具有超薄原子厚度、高透明度和金屬導電性，可組裝成透明的宏觀互連導電網絡，有效避免了導電性和光學透明度之間的 "權衡 "效應。基於 MXene 的柔性、透明和導電 TCE 的片電阻低至 200 Ω/sq，在波長為550nm時的透明度高達60%。基於柔性 MXene 基 TCE 的可穿戴電子皮膚具有極高的機械變形能力，可無縫適應人體，並能準確辨識人體的接近、觸摸和按壓等動作。這種可溶液加工的柔性、透明和導電 MXene 電子皮膚在人機互動、輕觸式熒幕、醫療傳感器和新興可穿戴套用中大有可為。
文獻：
https://doi.org/10.1016/j.carbon.2024.118950
