复旦大学Materials Horizons：应用于光电探测器的仿生透明MXene电极

【研究背景】

        MXene材料因其具有高电导率、良好的亲水性和柔性而被广泛应用于电子器件中。如何在利用其导电性的同时，大幅提高MXene电极的透明度，是拓宽MXene材料在光电器件领域的应用范围所亟待解决的问题之一。

【成果简介】

       最近，复旦大学方晓生教授在材料领域高影响力期刊Materials Horizons上发表一篇题目为“Bio-inspired transparent MXene electrodes for flexible UV photodetectors”的研究论文，该文提出了一种仿叶脉结构方法，以获得同时具有高导电性和高透过率的MXene网状结构，该结构可作为电极材料应用于透明柔性光电探测器件。该电极在紫外-可见光波段透过率接近90%，方阻仅为3Ω sq^-1。通过涂覆含有不同表面基团的MXene材料，该结构还可作为功函数可调电极应用于光电探测器中。不论作为单独的电极还是光电探测器，该结构都可实现1000次弯折，同时保持良好的光学和电学性能。

【图文导读】

图1. 叶脉MXene网状结构示意

       首先，依次在碱液、尿素溶液中处理叶片可以得到网状结构，涂覆一层MXene材料，通过尿素与叶片和MXene片层之间的氢键作用，可以得到紧紧附着一层高导电MXene的仿生网状结构。该网络可以轻巧地落于一朵花或几个肥皂泡上，说明该方法可以得到具有超轻、高透明的导电结构。

图2. 仿叶脉MXene电极的光学、电学及柔性

       从多个测试的结果可看出，该电极的导电性可以通过改变涂覆MXene的质量加以调整，随着粘附在叶脉上的MXene逐渐增多，电极网络的导电性逐渐增强，经过8次涂覆后，方阻可降至3 Ω sq^-1，同时保持透过率接近90%。并且，在方阻可调整的1~10³Ω sq^-1范围内，该电极的导电性经1000次弯折后仍可保持不变，即使折叠揉皱后仍可恢复如初。通过Scotch胶带测试，可验证MXene层与叶脉之间具有非常好的结合力，这也是该网状电极具有良好柔性和稳定性的原因之一。

图3. 仿生MXene电极基础上构筑的光电探测器

       该仿生MXene电极具有非常高的透过率和良好的导电性，因此它在柔性光电应用方面具有极大的潜力。文章中，通过与柔性静电纺丝TiO₂薄膜的结合，这一电极被应用于柔性紫外探测器。由于MXene材料本身的功函数可通过改变表面化学的方式加以调整，该实例中还采用了MILD法和HF刻蚀法得到的具有不同功函数的两种MXene，分别涂覆于叶脉的不同部分，以构筑紫外探测器。

图4. 半透明柔性紫外光探测器件的性能及示意

       该器件有显著的紫外光响应，且有良好的紫外光盲性，在350 nm紫外光照射下，电流也有很好的稳定性。该器件的特点在于，由于具有良好的柔韧性，可以弯折成多种形状，实现不同情况下的紫外探测。此外，该器件透过率约为55%，表现出半透明特征。

该工作发表在Materials Horizons (DOI:10.1039/D0MH00394H)上。

全文链接：https://doi.org/10.1039/D0MH00394H

信息来源：MXene Frontie