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【研究背景】
规模化制备高导电薄膜对于各种应用是至关重要的，包括传统电子产品和透明电子产品，可应用在电磁干扰屏蔽、天线、超级电容器、触摸屏、或传感器等领域。大面积柔性透明导电薄膜的开发可实现各种元器件在有限空间上一体化集成。对于透明导电电极（TCE），要求在高透光率下(T>80%)下应具有高电导率的特征且不存在电阻急剧增大的现象。尽管金属网格基TCE具有优异的光电性能，但高精度和窄线宽的特征尺寸仅限于复杂的制造工艺或昂贵的设备。此外，金属网格线之间的绝缘岛具有不均匀的导热性和非电化学储能性能，使得在一些领域中的应用受到了限制。另外Ag纳米线基的TCE存在与柔性基底附着力差的缺点。近年来，通过溶液加工法将导电墨水直接加工成TCE是一种操作简单且低成本的加工工艺。目前大多数溶液加工TCE的导电性通常较低，特别是对于石墨烯这样的二维材料。此外，TCE较大的表面粗糙度，进一步降低了在相同厚度下薄膜的透光率。因此，开发先进的导电墨水匹配合适的溶液加工工艺，在室温下大面积制备TCE具有重大意义。狭缝涂布(Slot-die coating)是一种可有效规模化生产表面粗糙度极低的薄膜的方法，墨水可直接涂覆在玻璃、PET、PDMS等各种刚性或柔性基底上，涂覆的薄膜厚度可实现纳米到微米级的精确控制。制备大面积均匀的薄膜需要严格调控加工参数，例如涂覆速度、间隙高度，进样速率等，根据粘度-毛细管模型作为设置工艺参数的指导。单层Ti3C2Tx纳米片在可见光区的透光率约为97%，具有金属导电性和亲水性，能稳定分散在水介质中。因此，通过狭缝涂布与高质量MXene墨水(主要是单层/少层薄片，横向尺寸大且分布窄，物理稳定性好)相结合，在制造高性能透明和非透明导电薄膜方面具有明显的优势，特别是制造大面积TCE。近日，瑞士联邦材料所Jakob Heier教授与川大张传芳教授团队合作，报道了通过狭缝涂布制备了大面积光滑的Ti3C2Tx MXene透明和非透明导电薄膜，可涂覆在多种柔性基底上并通过激光直写制造各种透明电子元器件。该成果以题为“Large-area Smooth Conductive Films Enabled by Scalable Slot-Die Coating of Ti3C2Tx MXene Aqueous Inks”发表在国际期刊Advanced Functional Materials上。通讯作者为张传芳、Jakob Heier，四川大学为第一单位，第一作者为博士生郭铁柱。在这项研究中，研究者通过不断优化MXene的粒径分布和狭缝涂布的适配参数，在室温下研发了大面积均匀的高导电薄膜，具有极低的表面粗糙度，从宏观上展示了显著的镜面效应。通过调控狭缝涂布的加工条件、墨水浓度和基底类型，可获得各种具有优异光电性能的透明导电薄膜。在T=93%下，纳米片仍能相互紧密连接，并且致密堆叠排列在基底上形成连续的导电通路，避免了在高透光率下发生渗流现象，实现了13 000 S/cm的平均电导率，在PET和玻璃基底上具有很强的附着力。结合激光直写技术，在大面积集成透明电子产品(如天线、传感器、超级电容器等)和电路的快速制造等领域具有光明的前景。图1. (a) Slot-die coating工艺示意图. (b, c) SEM和尺寸分布. (d) TEM. (e) AFM.图2. (a, b, c) 透明薄膜实物图. (d) MXene分散液的流变学. (e, f, g) 透明薄膜的SEM, AFM和XRD. (h, i) GISAXS图和取向度.
图3. 非透明薄膜的形貌和性能. (a)实物图. (b, c, d, e) 分别为玻璃、PI、PET和PDMS基底. (f) 抽滤膜. (g) 电导率. (h) XRD. (i, j) GISAXS图和取向度.图4. 非透明和透明薄膜形貌和性能对比. (a) Raman. (b) XPS. (c, d) 粘附性. (e) 弯曲性能. (f) 环境稳定性.图5. 透明导电电极的光电性能. (a, b) UV-vis. (c) TvsRs. (d) T-0.5-1 vsRs. (e) σDC/σop对比. (f) FOM vs尺寸. (g) T-0.5-1 vst. (h) Rsvst. (i) 平均电导率对比.图6. (a-f) 透明超级电容器的电化学性能. (a) CV. (b) GCD. (c) 电容量对比. (d). 面积电容量与透光率的关系. (e). Ragone图. (f) 循环稳定性. (g-i) 非透明超级电容器的电化学性能. (g) CV. (h) GCD. (i) 电容量对比和Ragone图.