透明柔性電極是光電器件的關(guān)鍵組成部分，在太陽能電池、LEDs和光探測等領(lǐng)域有重要的應(yīng)用。對于光探測器件(將光信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?，透明柔性電極目前面臨的主要困難是如何同時提高電極的透明性和電導(dǎo)率。MXene是一種新型的二維材料，具有優(yōu)異的導(dǎo)電性和理化結(jié)構(gòu)可調(diào)性，因此是一種制備透明柔性電極的潛力材料。然而，目前的大量研究結(jié)果表明，以常規(guī)方法制備的MXene基本柔性電極很難實現(xiàn)高的透明性和電導(dǎo)率。因此，如何通過合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計來同時提高M(jìn)xene基柔性電極的透明性和導(dǎo)電性，目前仍是該領(lǐng)域亟需解決的一個難題。
近日，復(fù)旦大學(xué)方曉生教授研究團(tuán)隊開發(fā)出了一種新穎的MXene/樹葉復(fù)合高透明、高導(dǎo)電柔性電極，其透光率可達(dá)90 %，而電阻僅為3 Ωaq-1。以MXene/樹葉復(fù)合電極制備的紫外光探測器具有靈敏的光響應(yīng)性和很好的柔性，經(jīng)過1000次彎折和卷曲后，光電流可以保持原來的90 %。作者研究發(fā)現(xiàn)，將樹葉的葉肉除去后，在表面沉積MXene，由于網(wǎng)絡(luò)狀葉脈可以促進(jìn)表面電流的收集和減小面內(nèi)電阻，因此在低含量MXene的添加條件下可以實現(xiàn)較高的電導(dǎo)率，從而也保證了電極高的透明性。除此之外，MXene與樹葉葉脈之間的強相互作用使得復(fù)合電極具有優(yōu)異的機械強度和柔性，經(jīng)過1000次彎折、揉搓后電導(dǎo)率基本保持不變。MXene/樹葉復(fù)合電極與TiO2薄膜組裝的柔性紫外光探測具有高靈敏度和高穩(wěn)定性，同時，透光率也可達(dá)60 %，因此在未來的光電子學(xué)領(lǐng)域表現(xiàn)出了巨大的應(yīng)用潛力。這項研究以題為《Bio-inspiredtransparent MXene electrodes for flexible UV photodetectors》的論文發(fā)表在《Materials Horizons》上。(后附原文鏈接)
【圖文解析】
作者首先以脫去葉肉的楊梅葉脈為支撐結(jié)構(gòu)，采用MILD法涂覆多層m-Ti3C2Tx型MXene后制備得到MXene/樹葉復(fù)合電極(制備流程圖以及電極結(jié)構(gòu)如圖1所示)，對其結(jié)構(gòu)和性能進(jìn)行了表征和研究。
作者研究發(fā)現(xiàn)，隨著m-Ti3C2Tx涂覆次數(shù)的增加，復(fù)合電極表面電阻值不斷下降，當(dāng)經(jīng)過8次涂覆后，電阻下降至3 Ω aq-1。由于整體涂覆的m-Ti3C2Tx很少，復(fù)合電極具有優(yōu)異的透光性，在整個紫外光譜(250~800 nm)范圍內(nèi)的透過率基本保持在90 %以上。同時，由于m-Ti3C2Tx和楊梅葉脈表面上均有大量的極性基團(tuán)，因此m-Ti3C2Tx和葉脈之間具有強的相互作用，這使得復(fù)合電極具有優(yōu)異的機械強度和柔性。經(jīng)過1000次彎折和卷曲后，復(fù)合電極的形狀和電導(dǎo)率都可以得到很好的保持，這有利于制備性能優(yōu)異且穩(wěn)定的光探測器。
作者在同一片葉脈樹葉上的不同區(qū)域分別涂覆了化學(xué)性質(zhì)不同的h-Ti3C2Tx和m-Ti3C2Tx型MXene，加以TiO2襯底制備了半透明自支撐紫外光探測器。測試結(jié)果表面該探測器具有優(yōu)異的光響應(yīng)性，開關(guān)比可以達(dá)到103，在5 V的偏置電壓下靈敏度可達(dá)6 mA?W-1。探測器優(yōu)異的光響應(yīng)性來自于柔性電極特殊理化性質(zhì)—m-Ti3C2Tx和h-Ti3C2Tx的工作函數(shù)分別為4.33 eV和3.71eV，均低于TiO2襯底的工作函數(shù)，因此TiO2和電極之間不存在阻擋層。同時，該紫外光探測器還具有很好的穩(wěn)定性和柔性，作者將其在180℃的高溫下運行1000次后，光電流還能保持最初的90 %，經(jīng)過彎折和卷曲后，探測器仍然可以正常運作，顯示出極強的環(huán)境適應(yīng)性。雖然TiO2襯底的加入使該紫外光探測器的透光性比MXene/樹葉復(fù)合電極稍差，但是紫外光透過率仍然接近60 %，為半透明性紫外光探測器。
【總結(jié)】
作者提出了一種新穎的仿生電極制備方法，這種方法可以獲得高透明性和高導(dǎo)電性的MXene/樹葉復(fù)合柔性電極。這些優(yōu)異的性能是樹葉中層次化的葉脈網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和化學(xué)處理后MXene之間的強附著力引起的。將MXene/樹葉復(fù)合柔性電極應(yīng)用在紫外光探測器中，制備得到了自支撐半透明紫外光電探測器，表現(xiàn)出極佳的靈活性和穩(wěn)定性，在未來的光電子學(xué)領(lǐng)域表現(xiàn)出了巨大的應(yīng)用潛力。
原文鏈接：
https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2020/mh/d0mh00394h#!divAbstract
