【综述】深大张晗教授团队在Physics Reports发表MXene光学相关综述论文

近日，深圳大学副研究员蒋先涛（第一作者）和张晗特聘教授（通讯作者）在物理学顶级刊物Physics Reports-Review Section of Physics Letters （影响因子28.295，中科院JCR一区top期刊）上发表题为“Two-dimensional MXenes: From morphological to optical, electric, and magnetic properties and applications”的长篇综述。

图1. 两层MXene:Ti3C2Tx的原子结构示意图。

近年来，一种由美国德雷塞尔大学 (Drexel University) Yury Gogotzi 等人发明的新的二维材料家族MXene引起了人们的广泛关注。MXene具体是指一类具有Mn+1XnTx元素构成的材料体系，其中M表示早期过渡族金属元素，X表示C或者N，T指的是该二维材料表面的基团/修饰体，n通常取值范围为1-3。由于该体系丰富的化学构成，目前已经报道的MXene材料超过70种，这给按性能需要制备适当的MXene材料提供了广阔的空间。不同于石墨烯表面修饰的困难，由于MXene材料本身自带的表面修饰体，赋予了其灵活的化学改性的可能性，以及与水、有机相溶剂和生物体良好的相容性。金属元素和C/N元素的组合也给与了MXene材料良好的电学性能，并且值得注意的是，该良好的电学性能并没有影响MXene优异的光学性能。MXene的线性吸收度在1%/nm左右，远远低于石墨烯的2.3%/单层 (每单层石墨烯的厚度为≤1nm)。由于MXene材料所具有的各种出色的物理化学性能，如高导电率、高弹性模量、高电容率、可调谐的带隙、高光学透过率、可离子嵌入、可室温条件制备、以及与水、有机溶剂和生物体良好的相容性等。MXene已经被广泛的应用到了储能、结构材料、电磁屏蔽、水净化、气体传感器、生物传感器、催化剂、产氢、光热治疗以及核废料处理等领域。

基于此，该综述论文分七大部分系统地介绍了新型MXene二维材料：（1）理论计算与预测。包括理论计算方法、光电磁学性能、拓扑性能表面光能团以及MXene异质结等。(2)MXene材料的制备方法，如图2所示。包括（Ι）选择性刻蚀，如HF刻蚀，无酸环境刻蚀，熔盐法刻蚀；（Ⅱ）化学转变，如碳化或氮化非MXene原材料；（Ⅲ）至下而上构建，如CVD生产，盐模板法等。（3）MXene的形貌特征，包括各种不同的形貌以及表面基团的系统总结与讨论，如图3所示。（4）MXene的光学性能及其应用。包括线性光学（如图4），非线性光学，发光性能，表面等离子体，光子-声子相互作用，生物光子学等。（5）MXene的电学性能及其应用。系统介绍了影响MXene电学性能的关键因素，并列举了一些典型应用，如电子器件、EMI、传感、光-电-化学催化等等，如图5。（6）MXene的磁学性能及其最新发展状况。例如利用温度，表面基团等对MXene磁性进行调控等。（7）MXene发展面临的挑战与机遇。本文展望了MXene在多维模型与材料信息、非线性光学、磁-光、非平衡态、相变转变、ENZ材料、超材料、手性材料、有机-无机杂化、量子信息，和生物医学应用方面的前景与机遇。

图2. MXene材料的制备方法。（Ι）选择性刻蚀，（Ⅱ）化学转变，（Ⅲ）至下而上构建。

图3. MXene材料的各种形貌。

图4. MXene非线性光学性能及其应用列举。

图5. MXene电学性能应用列举。

图6. MXene催化应用列举。

图7. MXene生物医学应用列举。