噴墨打印MXene油墨制備微型**電容器

柔性微型電子和網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域最近的發(fā)展已經(jīng)達(dá)到了超越簡單實(shí)現(xiàn)高性能的地步，通過結(jié)合可定制的形狀、靈活性和與微電子的無縫集成來設(shè)計(jì)先進(jìn)的微型**電容器（MSC），噴墨打印是一種具有優(yōu)異精度的非接觸式打印技術(shù)，并且由于完全按需滴落（DOD）的機(jī)制，不需要模具進(jìn)行圖案化，并且能夠無縫集成不同形狀的微型設(shè)備，從而提供定制的性能。故噴墨技術(shù)廣泛用于柔性電子器件的制備。

▲ 圖1 用于噴墨打印MSC的N、S-MXene和有機(jī)墨水的制造示意圖。

MXenes是一系列由碳化物和氮化物（以X表示）組成的2D過渡金屬（M），由于其高的表面體積比和極性溶劑分散性，被視為理想的分散介質(zhì)。開發(fā)具有高抗氧化能力、印刷穩(wěn)定性、優(yōu)異的電化學(xué)性質(zhì)和低成本生產(chǎn)工藝的MXene基噴墨打印墨水至關(guān)重要。劉婧媛老師團(tuán)隊(duì)研究了無添加劑的Ti₃C₂T_x MXene與氮和硫（N，S-MXene）油墨共摻雜的油墨，專為噴墨打印而設(shè)計(jì)。MXene的制備和N，S摻雜工藝以及用于微型**電容器的N，S-MXene油墨的噴墨打印如圖1所示。

▲ 圖2 a）原子力顯微鏡（AFM）圖像和N，S-MXene MSC電極的相應(yīng)高度分布b） N，S-MXene電極的尺寸分布c） 哈爾濱工程大學(xué)印刷徽章，插圖：N，S-MXene墨水。d） 穩(wěn)定墨滴的頻閃圖像。

為了展示N，S-MXene噴墨墨水在微型儲(chǔ)能裝置領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用，使用MicroFab Jetlab II噴墨打印系統(tǒng)以制備平面MSC，如圖2所示，通過AFM測量N，S-MXene微電極的厚度，并計(jì)算出25層的厚度約為146nm，哈爾濱工程大學(xué)的徽章用N，S-MXene墨水打印在相紙上，展示了Jetlab II噴墨打印設(shè)備打印N，S-MXene墨水制作高精度微結(jié)構(gòu)圖案的能力。

▲ 圖3 a）與先前報(bào)道的MSC相比，在20μa cm?2下測試的N，S-MXene MSC的體積電容；b） 不同測試的N，S-MXene MSC的面積和體積電容；c） N，S-MXene MSC與先前報(bào)道的MSC的拉貢圖比較；d）掃描速率為50 mV s?1時(shí)不同積分的CV曲線，插圖是并聯(lián)的N，S-MXene MSC和串聯(lián)的MSC的數(shù)字照片；e）在50μa cm?2的電流密度下，不同積分的GCD分布；f）在各種彎曲狀態(tài)下測試的CV曲線，（0°, 30°, 60°, 90°, 120°, 和180°)。

如圖三所示，所制備的MSC具有710 F cm^?3的體積電容，在411 mW cm^?3功率密度下具有8.9 mWh cm^?3的能量密度，長期循環(huán)穩(wěn)定性高達(dá)94.6%，遠(yuǎn)好于之前報(bào)道的噴墨打印制造的MSC。N，S-MXene MSC的可定制性可以通過將它們以不同形狀串聯(lián)和并聯(lián)連接所證明（圖3d的插圖），在不同彎曲角度下0°至180°, N，S-MXene MSC的所有CV曲線幾乎相同（圖3f），表明其具有優(yōu)異的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和機(jī)械柔韌性。

通過研究可知，定制的MSC可以通過簡單的參數(shù)調(diào)整自動(dòng)制造，提供高分辨率的形狀多樣的圖案，具有710 F cm^?3的優(yōu)異體積電容，噴墨打印的MSC在411 mW cm^?3的功率密度下顯示出8.9 mWh cm^?3的超高能量密度，氮和硫原子的摻雜改善了微電極的抗氧化性和反應(yīng)動(dòng)力學(xué)，導(dǎo)致了長期的循環(huán)穩(wěn)定性，10000次循環(huán)后電容保持率為94.6%。先進(jìn)的噴墨打印為MSC提供了多種可能性，加速了用于下一代儲(chǔ)能設(shè)備的噴墨打印墨水的開發(fā)，使噴墨打印設(shè)備可以在自供電、可穿戴、易于集成和植入式微電子器件的制備中廣泛應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)：