青岛大学：基于2D碳化钛墨水的柔性、透明和导电可穿戴电子皮肤

成果简介

柔性透明导体是可穿戴设备的基本要求，如电子皮肤（E-skin），可促进人类互动和生物反馈。然而，由于高导电性和光学透明度之间的 "权衡 "效应，很难获得具有高导电性的透明电子皮肤。此外，传统的透明导体又笨又脆，不适合柔性和可穿戴应用。本文，青岛大学苗锦雷等研究人员在《Carbon》期刊发表名为“Flexible, transparent and conductive wearable electronic skin based on 2D titanium carbide (MXene) ink”的论文，研究提出了具有金属导电性、亲水性表面和优异机械柔韧性的超薄二维碳化钛（MXene）纳米片作为新型高性能透明导体，并将其进一步开发为可穿戴电子皮肤。

通过简单地蚀刻MAX相中的铝，获得了可溶液加工的MXene导电墨水，并通过大规模喷涂获得了柔性透明导体。这种基于 MXene 的柔性透明导电电极的片电阻低至 200 Ω/sq，同时具有 60% @550 nm 的高光学透明度，足以满足电子皮肤的应用要求。此外，透明的 MXene 软电子薄膜还具有出色的机械柔韧性，即使经过 1000 次循环弯曲测试，仍能保持较高的光电性能。此外，坚固耐用的柔性透明 MXene 电子薄膜还能准确识别人体动作，包括接近、触摸和按压，这正是人机交互、触摸屏和医疗传感器等各种应用场景的基本要求。这种可溶液加工的柔性、透明和导电 MXene 电子皮肤在新兴的可穿戴应用中具有巨大的潜力。

图文导读

图1. (a) 通过喷涂制造基于 MXene 的 TCE，(b) 基于 MXene 的电子皮肤在人机交互、触控面板和个性化医疗中的可穿戴应用，以及 (c) MAX 相Ti3AlC2的蚀刻过程以制造超薄二维 MXene 纳米片的示意图。(d) 充分分散的 MXene 导电墨水的照片。(e) HCl/LiF 蚀刻后的T3AlC2的扫描电镜图像，其分层结构类似器官；以及 (f) 超声处理后的单层T3C2TX-MXene纳米片。

图2. (a) XRD patterns of MAX phase T3AlC2 and T3C2TX-MXene nanosheets, (b) TEM images of T3C2TX-MXene nanosheets with high optical transparency, (c) 单层 MXene 纳米片的原子力显微镜显微图像和相应的高度剖面图

图3. (a) 将二维 MXene 纳米片组装成 TCE 的示意图。(b) 初始状态和 (c) 终极状态下组装的 MXene 纳米片的扫描电镜图像。(d) MXene 基 TCE 的扫描电镜图像，其相互连接的纳米片形态均匀。(e、f）干燥后的 MXene 基 TCE 的扫描电镜图像。(g）MXene 基 TCE 的扫描电镜图像和相应的 EDS 图谱

图4. (a) 不同片状电阻的 MXene 基 TCE 在波长 300-1100 纳米范围内的透明光谱。(b) 基于 MXene 的 TCE 的照片。

图5. (a) 机械变形测试前后的 MXene 基 TCE 照片。(b) 基于 MXene 的 TCE 的机械变形过程示意图。(c) 不同弯曲半径下片层电阻随弯曲过程的变化。(d) 在半径为 5 毫米的弯曲试验中进行 1000 次循环时薄片电阻的变化（插图为在 500-510 次循环弯曲试验中薄片电阻的变化）

图6. (a) 基于 MXene 基 TCE 的可穿戴电子皮肤的结构示意图和 (b) 其制造过程。(c) 具有高光学透明度的 MXene 基电子皮肤的照片。(d) 基于 MXene 的电子皮肤用于实时医疗监测。(e) 基于 MXene 的电子皮肤的压力-相对电容变化图。(f) 1000 次加压/释放过程中 MXene 电子皮肤的相对电容变化。(g)200-205、(h)800-805 次加压/释放过程中基于 MXene 的电子薄膜的相对电容变化

图7. 用于可穿戴应用的柔性、透明和导电 MXene 电子皮肤。(a) 手腕弯曲时的电容信号监测。(b) 手指触摸时的电容信号监测。(c) 电子皮肤的可穿戴应用示意图。(d) 手掌靠近时的电容信号监测。

小结

在这项工作中，成功开发了基于超薄二维T3C2TX-MXene 纳米片的高性能柔性、透明和导电电子皮肤。从 MAX 相T3AlC2中蚀刻出了可溶液加工的二维 T3C2TX-MXene 纳米片，通过简便的喷涂策略获得了用于制造柔性 TCE 的高质量导电墨水。二维T3C2TX-MXene 纳米片具有超薄原子厚度、高透明度和金属导电性，可组装成透明的宏观互连导电网络，有效避免了导电性和光学透明度之间的 "权衡 "效应。基于 MXene 的柔性、透明和导电 TCE 的片电阻低至 200 Ω/sq，在波长为550nm时的透明度高达60%。基于柔性 MXene 基 TCE 的可穿戴电子皮肤具有极高的机械变形能力，可无缝适应人体，并能准确识别人体的接近、触摸和按压等动作。这种可溶液加工的柔性、透明和导电 MXene 电子皮肤在人机交互、触摸屏、医疗传感器和新兴可穿戴应用中大有可为。

文献：

https://doi.org/10.1016/j.carbon.2024.118950