敏感材料特性与器件几何构型对MXene基压阻传感器灵敏度的调控机制研究

Two-Dimension transition metal carbides, nitrides and carbonitride (MXene) have used to construct low cost and high performance piezoresistive sensor, due to their large interlayer spacing, high specific surface area, metallic conductivity and controllable surface groups properties. The characteristics of MXene nanomaterials and the geometry design of the device are closely related to the improvement of sensitivity of the piezoresistive sensor, as well as the related physical mechanism. In this project, we intend to realize the controllable synthesis of single or few layers of MXene nanosheets, then investigate the influence of the process parameters on microstructure and surface defects concentration of MXene. Furthermore, by combining Density Functional Theory, the influence rule of MXene microstructure and surface defects concentration on the resistance will be deeply studied on the electronic transport mechanism, which will realize the material resistance regulation. And the relationship of material preparation-material structure-material property will be established. In addition, the influence of the array structure of the surface of the sensitive component, as well as the macroscopic configuration of the device on the contact resistance and sensitivity, will be studied, thus the device sensitivity will be greatly improved. Then the relationship between material properties-device structure-device performance and optimization will be built. The implementation of this project will lay a solid theoretical and experimental foundation for the development of flexible piezoresistive sensors with high sensitivity.

二维过渡金属碳化物、氮化物或碳氮化物（MXene）具有较大层间距、高比表面积、金属导电性和可控表面官能团等特性，可用于构筑低成本、高性能的压阻传感器。研究敏感材料特性和器件几何构型对MXene压阻传感器灵敏度的调控规律及其物理机制对提高器件性能具有重要意义。本项目拟采用化学溶液法实现单层或少层MXene纳米片的可控制备，研究工艺参数对MXene纳米片微结构及表面缺陷浓度的影响，再结合密度泛函理论从MXene材料的电子输运机制上研究材料微结构及表面缺陷浓度对材料电阻的影响规律，实现制备工艺对材料电阻的调控，建立材料制备-材料结构-材料性能关系；进一步研究敏感元件表面的阵列结构及器件宏观构型对接触电阻和灵敏度影响，实现器件灵敏度的大幅提高，建立材料性能-器件结构-器件性能及优化的关系。本项目的实施将为研发高灵敏度柔性压阻传感器奠定坚实的理论和实验基础。

石墨烯的发现极大推动了科研工作者对单原子或几个原子层厚的二维材料的研究。2011年，Yury Gogotsi课题组创造性地制备出一种组成丰富和性能可调的新型二维过渡金属碳化物、氮化物或碳氮化物（MXene）。因其具有较大的比表面积、良好的亲水性和金属导电性等物理化学性能，MXene在能源存储、电磁屏蔽、海水淡化、生物治疗等领域表现了良好的应用前景。特别是基于MXene高性能柔性压阻传感器研究方面取得了一系列进展，其有望取代现有的压阻敏感材料进一步提高传感器的灵敏度。然而，关于MXene纳米材料特性与器件几何构型对压阻传感器灵敏度的影响及相关物理机制，尚缺乏系统深入的研究。本项目采用化学溶液法实现单层或少层MXene纳米片的可控制备，研究了反应参数对MXene横向尺寸、层数和表面缺陷浓度等的调控作用。并结合密度泛函理论从MXene材料的电子输运机制上研究压阻传感器的伏安特性，分析了二维MXene敏感材料的电阻与其横向尺寸和表面缺陷浓度等的关联性。同时研究了MXene压阻传感器的几何构型（主要包括敏感元件表面的阵列结构以及器件宏观构筑方式）对接触电阻的影响，为构筑高灵敏度MXene柔性压阻传感器奠定理论和实验基础。在此基础上，研究适用于极端温度条件下的高灵敏 MXene基复合压阻传感器和自供能MXene基压力传感器系统，这不仅有利于拓宽MXene等新型二维材料在电子皮肤、可穿戴电子设备中的应用，也为二维纳米材料在物联网、智能产业等领域的应用开辟了新途径。