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(shí)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(shí)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(jì)來同時(shí)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(gè)難題。
近日，復(fù)旦大學(xué)方曉生教授研究團(tuán)隊(duì)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(shí)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(qiáng)相互作用使得復(fù)合電極具有優(yōu)異的機(jī)械強(qiáng)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(shí)，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(xiàng)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(gè)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(shí)，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(qiáng)的相互作用，這使得復(fù)合電極具有優(yōu)異的機(jī)械強(qiáng)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(shí)，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(yùn)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(yùn)作，顯示出極強(qiáng)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(qiáng)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
