新型二维材料MXene实现导电性160倍提升

过去，大多数MXene材料依靠化学刻蚀法制备，导致表面随机附着氧、氟、氯等原子，就像高速公路上遍布坑洼，严重阻碍电子流动，限制材料性能。德国德累斯顿工业大学李东奇博士形象地指出：这种原子级无序会‘困住并散射电子’。本次研究提出全新GLS（熔盐-卤素蒸汽）合成法：以固态MAX相为原料，利用熔融盐与碘蒸气反应生成MXene薄片，并精准调控表面接上的卤素原子种类（氯、溴或碘）。结果得到表面高度有序、杂质极少的纯净MXene。研究团队成功用该方法从8种不同MAX相制备出MXene，验证了其普适性。为进一步理解表面结构如何影响性能，团队结合密度泛函理论（DFT）模拟，发现不同卤素终止对材料稳定性与电子特性有显著差异——这为‘按需设计’MXene提供了理论依据。以最常用的碳化钛MXene（Ti₃C₂）为例：传统方法制得的样品表面混有氯和氧，导电性差；而GLS法制备的Ti₃C₂Cl₂表面仅含整齐排列的氯原子，无杂质。测试显示：其宏观电导率提升160倍，太赫兹频段电导率提高13倍，载流子迁移率（衡量电子自由移动能力的关键指标）提升近4倍。量子输运模拟证实，平整有序的表面减少了电子被陷阱捕获和散射的概率，从而直接解释了性能跃升的原因。不仅如此，表面卤素种类还决定MXene与电磁波的相互作用方式：氯终止型在14–18 GHz频段强吸收（适合雷达吸波涂层），溴、碘终止型则响应其他频段，可用于电磁屏蔽或新一代无线通信。更进一步，研究人员通过混合不同卤化物熔盐，成功制备出含两种甚至三种卤素（如Cl/Br、Cl/Br/I）且比例精确可控的MXene，极大拓展了材料功能定制空间——在电子器件、催化、储能、光子学等领域均有广阔应用前景。总体而言，这项工作突破了MXene长期受限于表面无序的瓶颈，提供了一种温和、通用、可放大的高质量合成路径，有望加速柔性电子、高速通信系统和先进光电器件等下一代技术的实用化进程。