近日，仲愷農業工程學院覃儒展博士聯合北京航空航天大學/香港城市大學單光存教授在材料類頂級期刊《先進材料》發表長篇綜述，從類型、原理、材料、結構、優化策略和應用等方面全面總結MXene基柔性傳感器的最新進展。
MXene是一種具有二維層狀結構的過渡金屬碳化物、氮化物和碳氮化物。2011年，美國德雷塞爾大學的一個研究小組在《先進材料》雜志上首次報道了這一情況。隨后，隨著MXene合成方法的不斷探索，其種類和數量不斷擴大，逐漸受到許多研究領域的關注。對于柔性壓力傳感器領域，MXene的特殊結構和性能使其比傳統傳感器中使用的金屬或半導體活性材料更具優勢。盡管金屬或半導體具有高導電性，但其固有的材料剛性限制了其靈敏度。MXene的手風琴狀層狀結構不僅提供了良好的導電性，而且在壓力下改變了層間間距，這可以驅動材料本身導電性的變化，從而表現出優異的壓阻靈敏度。此外，MXene在制備過程中可以方便地調節表面終止基團和微觀結構，使其易于獲得獨特的微觀結構和性能，從而在柔性壓力傳感器中具有巨大的潛在價值。
然而，基于MXene的柔性傳感傳感器距離大規模商業應用仍有一定距離。主要障礙可分為兩部分：（1）如何獲得高穩定性的MXene壓敏材料，提高柔性壓敏器件的使用壽命；（2） 如何設計一種具有高線性、高分辨率、寬傳感范圍和高靈敏度的穩定柔性壓力傳感器仍然是一個挑戰。提高MXene作為敏感材料的長期穩定性對商業可行性具有決定性意義。盡管已經發表了一些關于基于MXene的柔性壓力傳感器的綜述，但大多數綜述都集中在應用方面。缺乏對MXene基柔性壓力傳感器的類型、原理、材料選擇、結構設計、制備策略和分類應用的全面分析。
全文為七個部分：
文章第一部分介紹了MXene基柔性壓力傳感器的發展歷程，分析和總結近年來發表的MXene基傳感器的研究進展以及本文的框架結構, 如圖1所示。
圖1. 近年發表的MXene基壓力傳感器的論文數量以及文章的框架結構
文章的第二部分簡要介紹了MXene基傳感器的傳感類型，為高性能柔性壓力傳感器的設計提供了理論依據。這部分不僅比較了不同類型傳感器的優缺點，還總結了不同類型的傳感器的工作原理。在此基礎上，詳細介紹了壓阻傳感的類型（接觸效應、滲流理論、隧道效應、斷裂裂紋效應和半導體壓阻效應）和電容傳感的類型。還討論了壓電效應和摩擦效應的傳感類型。如圖2所示。
圖2. 基于MXene的柔性壓力傳感器的傳感機制示意圖。（a） 壓阻式，（b）電容式，（c）壓電式，（d）摩擦電式
文章第三部分詳細介紹了MXene基柔性壓力傳感器材料的選擇和混合。從純MXene材料、混合材料和可降解材料三個方面介紹了材料選擇對提高傳感器性能的影響。首先，我們比較了MXene和傳統2D材料之間的差異，并解釋了為什么MXene材料更適合傳感器應用。重點是MXene與其他材料混合的應用，以提高柔性壓力傳感器的性能。例如：（i）復合材料；二紙基材料；（iii）纖維材料；（iv）泡沫材料；（v） 海綿和棉花材料；（vi）織物材料；（vii）氣凝膠材料；（viii）水凝膠材料。還討論了其他一些凝膠材料。如圖3-9所示。
圖3 基于純MXene材料和復合材料的柔性壓力傳感器。（a） 基于微通道受限純MXene的柔性壓阻式多功能微力傳感器，（b） TeNWs/Ti3C2Tx納米混合壓力傳感器傳感機理示意圖，（c）基于MXene@N-doped碳膜的壓力傳感器制備示意圖，（d） 基于MX/rGO/P（VDF-TrFE）薄膜的壓力傳感器制造示意圖
圖4 基于MXene/紙材料和MXene/纖維材料的柔性壓力傳感器。（a）基于紙張的可穿戴壓力傳感器的制備過程示意圖，（b）MXene/BF復合紙的制備示意圖，（c）基于MTPF的傳感器制備示意圖，（d）MXene/ZIF-67/PAN薄膜的制備及傳感器器件結構，（e） Ti3C2Tx/BC薄膜制備示意圖
圖5 基于MXene/泡沫材料的柔性壓力傳感器，（a）PMB壓力傳感器的準備示意圖，（b）高度有序的PAM-Cu導電泡沫的組裝過程示意圖，（c）導電MPMF的制備和傳感機制示意圖，（d）基于MXene/PANI泡沫的傳感器的制備圖
圖6 基于MXene/棉材料的柔性壓力傳感器。（a）基于CMPP海綿的傳感器制備示意圖，（b）基于MXene海藻酸鈉海綿（SMSS）的壓力傳感器的制造示意圖，（c）基于MCF的壓力傳感器的制造示意圖，（d）MXene/SiNPs棉織物的制作示意圖
圖7 基于MXene/織物材料的柔性壓力傳感器。（a）基于 WF@MFS材料的壓力傳感器制備示意圖，（b）基于MXene/紡織品傳感器的制造示意圖，（c）基于MXene@織物柔性壓力傳感器的制備過程示意圖，（d）基于樹皮狀MXene/紡織品織物的壓力傳感器的制備示意圖
圖8 基于MXene/氣凝膠材料的柔性壓力傳感器。（a）MXene基氣凝膠制備過程示意圖，（b）基于PPy@PBM氣凝膠的制備示意圖，（c）基于CS/MXene氣凝膠的制備示意圖，（d） ANF氣凝膠膜（AAF）和MAAF傳感器的結構設計
圖9 基于MXene/水凝膠材料的柔性壓力傳感器。（a）MXene納米片和M-OH的制備過程示意圖，（b）PSM有機水凝膠制備過程示意圖
文章第四部分介紹了基于MXene的傳感器的結構設計，以提高其性能。存在對器件的性能有顯著影響的各種微觀結構設計。介紹了一維結構、二維結構和三維結構的設計。主要包括多孔結構設計、分層結構設計、蜂窩結構設計、螺旋結構設計、折疊結構設計、豎向排列結構設計等。如圖10-14所示。
圖10 具有層狀結構和仿生微觀結構的柔性壓力傳感器。（a）基于MXene/Ag納米花膜的柔性壓力傳感器的逐層組裝示意圖，（b）基于ZIF-67@MXene的柔性壓力傳感器的制備示意圖，（c）基于RGO/MXene的壓力傳感器的制造示意圖，（d）基于MXene/PPNs/MXene/TPEM的壓力傳感器制備過程示意圖
圖11 具有分級微電網結構的柔性壓力傳感器。（a）基于SMPCN膜的傳感器的制備示意圖，（b）基于金字塔狀MXene薄膜的柔性壓力傳感器的制備過程，（c）基于褶皺結構MXene膜的柔性超靈敏壓力傳感器的制備示意圖，（d）海膽狀微結構扁絲繭壓力傳感器的制備示意圖
圖12具有泡沫、海綿和棉花三維結構的柔性壓力傳感器。（a）基于AgNps@Mxene@PEDT:PSS泡沫壓力傳感器制備示意圖,（b）基于MXene/PANI復合海綿的壓力傳感器制備示意圖，（c）基于MXene@PU壓阻式傳感器的制備示意圖，（d）MXene油墨和層狀多孔MXene植物纖維海綿的制備過程
圖13具有氣凝膠三維結構的柔性壓力傳感器。（a）FCMA氣凝膠的制備過程示意圖,（b）GPM氣凝膠的合成過程示意圖,（c）基于F-MXene@C-CNTs/CCS 氣凝膠制備示意圖,（d）基于納米纖維增強MXene還原氧化石墨烯（rGO）氣凝膠(aPANFs/MX–rGA)的制備示意圖
圖14 具有其它材料三維結構的柔性壓力傳感器。（a）3D多孔MFNS示意圖，（b）衍生自W/ILs-Pickering乳液的MXene基多孔材料的制備示意圖,（c）多孔褶皺MXene球體的合成方案和可降解MXene壓力傳感器的制備示意圖，（d）獨立三維MXene PDMS支架的制備過程
文章第五部分介紹了MXene基傳感器的制備策略。不同的制備策略對傳感器的不同應用場景、大規模生產和小型化有著顯著的影響，尤其是在一些特殊應用中。不同的準備策略也會對傳感器的性能產生影響。介紹了激光燒蝕、真空過濾、3D打印、絲網印刷、靜電紡絲、冷凍干燥、旋涂和滴涂、發泡技術和自然仿生吸氣策略等輔助方法。如圖15-22所示。
圖15 采用激光輔助制備的柔性壓力傳感器。（a）激光消融策略用于制備柔性壓力傳感器叉指電極和電路,（b）用于制備MXene基傳感陣列的4×4像素電極陣列的激光制造示意圖,（c）基于MXene有機水凝膠8×8像素陣列的制作示意圖
圖16帶有真空過濾輔助制備的柔性壓力傳感器。（a）微結構電容式壓力傳感器的制作工藝，（b）層狀MXene/ANF復合傳感器的制備過程
圖17具有絲網印刷輔助準備功能的柔性壓力傳感器。（a）使用絲網印刷技術制備的傳感器的叉指電極的示意圖,（b）層狀MXene/ANF復合傳感器的制備過程
圖18 具有靜電紡絲輔助制備的柔性壓力傳感器。（a）電紡納米纖維膜的制備工藝，（b）基于MXene/PVP復合納米纖維膜的壓力傳感器靜電紡絲工藝示意圖，（c）通過靜電紡絲工藝制備基于CNS的傳感器的示意圖，（d）基于INM的電容式壓力傳感器原理圖
圖19冷凍干燥輔助制備的柔性壓力傳感器。（a）使用單向冷凍技術制備各向異性PVDF/MXene復合器件的示意圖，（b）冷凍干燥輔助沉積技術制備MXene/PANI復合海綿，（c）利用冷凍干燥技術制備壓阻式MGP海綿和MGP海綿傳感器的過程示意圖，（d）利用冷凍干燥技術制備CCF/MXene復合氣凝膠的示意圖
圖20具有浸漬涂層和浸漬干燥輔助制備的柔性壓力傳感器。（a）采用浸涂技術制備MXene/無紡布電極和IG/無紡布電解質的工藝，（b） 采用浸涂法制備MX/rGO的工藝
圖21采用發泡技術輔助制備的柔性壓力傳感器。（a）使用氣體發泡技術制造基于MXene氣凝膠/rGO的壓力傳感器器件的工藝示意圖，（b）采用氣體發泡技術和多功能MXene氣凝膠柔性壓力傳感器的制備工藝，制備了三維MXene氣相凝膠
圖22 受自然仿生吸氣啟發制備柔性壓力傳感器。（a-b）受人類皮膚組織結構和力感知過程的啟發，制備柔性壓力傳感器，（c）受蜘蛛狹縫器官的微裂紋結構和變色龍的機械變色機制的啟發，設計了一種柔性光電皮膚（OE皮膚），（d）受荷葉智能生物結構的啟發，開發出一種靈活、透氣、防水、自清潔的觸覺傳感器
文章第六部分介紹了MXene傳感器的分類應用。包括醫療健康監測、運動健身、坐姿監測、手勢識別、柔性機器人、電子皮膚、壓力分布圖、智能盲文識別和語音識別等。還介紹了MXene柔性壓力傳感器在一些特殊領域和場景中的應用。如圖23-27所示。
圖23用于醫療健康監測的MXene-based柔性壓力傳感器。（a）壓阻BBP-MX-AG傳感器的應用，用于檢測人類頸部頸中動脈（CA）和頸內靜脈（IJV）中的微弱壓力信號,（b）無線MTPF傳感設備的構建及其在人體健康監測中的應用
圖24基于MXene的靈活壓力傳感器，適用于運動和健身。（a）可穿戴超疏水PPy/MXene壓力傳感器的應用，用于檢測一系列人類運動，包括手指運動、手腕彎曲、肘部運動、手腕扭曲、行走和跳躍,（b）CNF/CNT/MXene氣凝膠傳感器用于演示人類行為監測應用，包括肘部擺動、手腕彎曲、正常工作和手指觸摸的電流信號,（c）連接到不同部位的SMPCN膜傳感器監測人體運動，包括吹臉頰、點頭、脈搏振動、手指彎曲以及行走和跳躍
圖25基于MXene的柔性壓力傳感器，用于繪制壓力分布圖。（a）組裝后的4×4像素柔性傳感器陣列及其壓力分布示意圖,（b） 放置在電子皮膚傳感器陣列上的筆、扳手和膠帶的數字圖像，以及相應的壓力分布
圖26用于語音識別的基于MXene的柔性壓力傳感器。（a）聲波沖擊壓力傳感器的聲信號檢測,（b）使用MXene/BC薄膜聲音傳感器采集和識別人聲信號
圖27用于手勢識別和坐姿監測的基于MXene的柔性壓力傳感器。（a）可穿戴手勢識別設備系統示意圖，包括智能手套上五個壓力傳感器的阻力響應監測和手勢識別的人機交互界面,（b）通過MMC壓力傳感器陣列監測坐姿
文章第七部分討論了MXene基材料在改善和提高柔性壓力傳感器性能方面的主要問題、機遇和挑戰。目前，基于MXene的柔性壓力傳感器的主要問題如下：
1）MXene是傳感器敏感層的主要材料，合成方法通常使用氟化試劑或高溫高壓的制備條件，對人體健康和環境造成一定危害。特別是MXene的大規模生產可能會對環境生態產生影響。
2）MXene材料的穩定性需要更多的關注和研究。穩定性對傳感器至關重要，因為它確保了在不斷變化的環境中可重復和可靠地使用，尤其是在長期監測中。MXene材料在高溫或潮濕的環境條件下容易氧化和降解，這對傳感器的長期穩定性和有效性極為不利。
3）基于MXene的柔性壓力傳感器的綜合傳感性能不夠理想。與其他更成熟的復合材料相比，MXene基柔性壓力傳感器目前的性能還不夠好，這將阻礙MXene基傳感器的廣泛應用。
4）目前，基于MXene的柔性壓力傳感器的分辨率并不高，關注MXene的壓力傳感器分辨率的報道很少。然而，分辨率的高低直接影響測量的準確性。分辨率越高，就可以實現越精確的測量。
5）目前，基于MXene的壓力傳感研究通常基于材料和結構的設計，較少強調從傳感機理上調整壓力傳感的性能。傳感構型的研發是器件開發的核心內容，這取決于器件的整體結構設計。研究壓力傳感器的新型傳感機理或復合傳感機理，對柔性壓力傳感器的更好發展具有重要意義。
6) 目前，基于MXene的自供電壓力傳感器也已開發出來，但存在一些集成和穩定性問題。小型化的自供電設備將成為一種廣泛的研究趨勢。因此，小型化或集成化的自供電壓力傳感器將受到更多關注，尤其是基于芯片的智能柔性壓力傳感器。
7) 在實際應用方面。為了滿足廣泛的可穿戴應用，還需要考慮基于MXene的傳感器的透氣性、生物相容性、防水性和自修復性能。
從以上分析可以看出，基于MXene的柔性壓力傳感器距離大規模商業應用還有一定距離。基于MXene的柔性壓力傳感器的應用演示主要用作概念驗證演示。主要問題是傳感設備的穩定性以及高性能和寬傳感范圍之間的權衡，以及其他一些問題。盡管仍然存在許多問題和挑戰，但這也給我們帶來了更多的機遇。
總之，文章從類型、原理、材料、結構、優化策略和應用等方面綜述了MXene基柔性壓力傳感器的最新進展。盡管基于MXene的柔性壓力傳感器在傳感機理、材料微觀結構設計、材料選擇和混合以及性能研究方面取得了許多研究成果，但基于MXene柔性壓力傳感器的穩定性、高性能和寬傳感范圍的平衡以及非線性問題仍存在挑戰。未來的主要方向是調整MXene的微觀結構并選擇合適的材料，以獲得具有高穩定性、高靈敏度、高分辨率和寬響應范圍的柔性壓力傳感器，從而在醫療健康監測、運動健身、人機交互等領域實現更廣泛的實際應用。也可以考慮從電路集成設計、無線技術、自供電、多功能等角度推動傳感器小型化、智能化、集成化的發展，擴大柔性壓力傳感器的應用范圍。MXene在柔性壓力傳感器領域有著非常光明的前景。相信在研究人員的共同努力下，MXene材料將在柔性傳感器的應用中展現出巨大的應用價值。
參考文獻：
Ruzhan Qin, Juan Nong, Keqiang Wang, Yishen Liu, Songbin Zhou, Mingjun Hu, Hongbin Zhao, Guangcun Shan, Recent Advances in Flexible Pressure Sensors Based on MXene Materials, 2024,2312761.
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202312761
