二维材料MXene用于高柔性、高灵敏度的压阻传感器

二维过渡金属碳化物或碳氮化物自2011年成功制备以来就受到广泛的关注，由于其表面含有官能团，因而具有亲水性，可用于重金属离子吸附和海水淡化处理；表面具有活性位点可作为催化剂的活性基底；具有大的比表面积，良好的导电性，还可用于电化学能量存储设备等。在制备MXene材料时是采用刻蚀剂将MAX相中的A元素刻蚀掉，会形成较宽的层间距，当施加外部压力时能够引起层间距的改变，因而有研究者基于Ti₃C₂–MXene开发出高柔性、高灵敏度的压阻传感器。

相比于光刻法等常用的制备叉指电极的方法，研究者们提出的方法更加简便易行，而且无毒无害，成本低廉。简而言之，Ti₃C₂–MXene基传感器包括三层，MXene层位于叉指电极和织物层的中间，先在聚酰亚胺膜上油墨印刷交叉指型结构，再磁控溅射金属形成叉指电极，进而形成软基底和导电通路；然后将聚酰亚胺膜浸到MXene的无水乙醇溶液中，取出干燥后覆上具有分级结构的织物来作为保护层。为提高稳定性，采用PDMS来密封整个设备。

图1所示为Ti₃C₂–MXene基压阻式传感器的工作原理，两个相邻层间距会在外力作用下降低，引起内电阻的降低，因而导电性会升高；图1.b为等效电路图，施加外力时整个电路的总电阻会随之下降。

图2： MXene的结构以及在在外力作用下的结构变化的原位TEM图像 a,b)分别为Ti₃C₂–MXene的横截面和平面图；c)是原位力设备； d-f)是较宽层间距的MXene在外力下的层间距变化，12nm(7s)，3nm(9s)和0nm(10s)；g-i) 是较窄层间距的MXene在外力下的层间距变化，5.23nm(7s)，4.98nm(9s)和4.81nm(10s)；

图2所示为采用原位透射电子显微镜来研究MXene压阻式传感器的微观动力学过程，MXene层间距会在外力作用下降低，当外力撤消时，还能够发生可逆回复，而且层间距越大越容易被压缩。

图3：MXene基传感器对压力的响应结果

在不同外加压力下探究MXene基传感器的压阻效应，I-T曲线表明其在压力小于13kPa时，电流随着压力单调上升，在每次加载和卸载中都表现出稳定而连续的特性（图3.a），良好的线性关系表明在MXene和叉指电极之间形成欧姆接触（图3.b）；ΔR/R_off值在压力小于5kPa时，随压力升高急剧增加是由于MXene材料层间距的改变，在压力大于5kPa时，压力导致MXene块体之间的紧密程度增加，此时的ΔR/R_off值变化微弱（图3.c）；在非常小的应变范围0.19–0.82%内，MXene基传感器具有极高的灵敏度，0.82%-1.80%范围内则变化不显著（图3.d）；由于在不同弯曲角度仍能够保持良好的响应（图3.e），可将其应用在探究人体运动，且最快的响应时间小于30ms（图3.f）；MXene基传感器具有机械持久性，在循环加载-卸载4000次后，传感信号仅出现小幅衰减。

基于此传感器优异的传感特性以及可穿戴性，将其贴覆于眼角、面颊、喉咙、手指、膝盖等处可以探究人体活动，甚至可以通过微电路蓝牙系统来快速响应膝关节的运动。便携式、可穿戴的MXene-Ti₃C₂T_X压阻式传感器在可穿戴设备和电子皮肤领域具有广阔的应用前景，进一步拓宽了MXene材料的应用领域。

参考文献：Yanan Ma¹, Nishuang Liu¹, Luying Li¹, Xiaokang Hu, Zhengguang Zou, Jianbo Wang,Shijun Luo & Yihua Gao^*. A highly flexible and sensitivepiezoresistive sensor based on MXene with greatly changed interlayer distances.Nature Commucation. 8:1207.

DOI: 10.1038/s41467-017-01136-9

消息来源——微信公众号：OIL实验室