近期，香港中文大学（深圳）理工学院郑庆彬教授团队在电子材料表面与界面工程领域取得重要进展，开发了一系列具有出色力、热、光、电性能的新型碳基电子材料，并总结展望了该领域的最新进展，先后在该领域顶级期刊《美国化学学会纳米杂志》(ACS Nano，影响因子15.8，Q1)、《纳微快报》（Nano-Micro Letters，影响因子31.6，Q1）、《材料视野》（Materials Horizons，影响因子12.2，Q1）和《复合材料A 部分: 应用科学与制造》（Composites Part A: Applied Science and Manufacturing，影响因子8.1，Q1）连续发表4篇文章，香港中文大学（深圳）为第一单位及通讯单位，郑庆彬教授为论文通讯作者。

图1 柔性电子材料表面与界面工程及其应用示意图

论文一

Materials Horizons, 2025, 12, 1155.

论文的通讯作者为香港中文大学（深圳）理工学院郑庆彬教授，第一作者为郑庆彬教授课题组博士生薛洁和博士后刘丹。

研究背景：

随着信息技术的迅猛发展，透明导电膜（TCF）不仅需要具备优异的光电性能，还需满足多功能的要求。传统的氧化铟锡（ITO）透明导电膜因其表面电阻（Rs）小于100 Ω·sq⁻¹且透过率（T）超过90％，被广泛应用。然而，ITO的制备过程通常需要高温和高真空环境，能耗较大。此外，铟资源的短缺以及ITO的低柔韧性，使其难以满足下一代柔性电子器件的需求。作为一种二维材料，超薄Ti₃C₂Tx (MXene)具有金属导电性和优异的机械性能，成为实现多功能透明导电膜的理想材料。尽管近年来在MXene基多功能膜的制备方面取得了显著进展，但要实现具有连续且密集导电通路的高度均匀单层MXene膜（SLMF），从而实现多功能TCF (M-TCF)，依然是一个重大挑战。

研究内容：

本研究采用LB组装技术从大片MXene薄片制备单层Ti₃C₂Tx薄膜（L-SLMF）。通过调节表面压力，可以控制膜的形貌变化，从孤立薄片和密堆积网络到随机皱纹及集中皱纹。随着形貌的变化，L-SLMF的厚度也随着堆积密度的增加，从几纳米到几十纳米不等。通过垂直提升技术，将大面积均匀的L-SLMF从空气-水界面转移至刚性和柔性基底上，制备出多功能透明导电膜（M-TCF）。同时，研究了M-TCF在光电、焦耳热和电磁屏蔽等方面的性能。

图2 大尺寸Ti₃C₂T_x纳米片和具有可控形貌单层MXene薄膜的制备

研究结果：

通过调整表面压力和MXene薄片的尺寸，能够精确控制组装的单层MXene薄膜（SLMF）的堆积密度和表面形貌。随着表面压力的增加，MXene薄片逐渐从分散的薄片组装成具有皱纹的紧密堆积薄膜。特别地，在低表面压力下，大尺寸薄片间结点较少，使L-SLMF保持完整的连续单层，而在高表面压力下则形成密集堆叠的网络。通过在300°C下进行热处理，促进了晶面间距的致密化，堆叠良好且互连的导电通路没有出现渗透问题。此时，M-TCF在88%的高透光率下表现出318 Ω·sq⁻¹的低表面电阻值，并保持了9.67的高品质因子。与其他自组装方法制备的单层MXene薄膜相比，LB组装的L-SLMF展现出更优异的光电性能。L-SLMF中MXene薄片的连续和密集排列显著减少了电热转换过程中的电子跳跃，使其能够在40秒内实现100ºC的高效电热响应，同时展现出高达7.86×10⁵ dB·cm²·g⁻²的超高绝对电磁屏蔽效能。这一系列结果表明，L-SLMF在下一代M-TCF中具有广阔的应用前景。

论文二

Composites Part A: Applied Science and Manufacturing, 2025, 192, 108775. 

论文的通讯作者为香港中文大学（深圳）理工学院郑庆彬教授，德国莱布尼兹研究所张飞博士，天津大学封伟教授，第一作者为郑庆彬教授课题组博士生孙雨铉。

研究背景：

科学技术的进步推动了电子器件向小型化和高封装密度方向发展。为了保证其寿命和可靠性，电子器件在运行过程中产生的大量热能通过高导热热界面材料（TIM）散失到散热器中。随着高功率密度芯片在高度集成的微电子中以多层或三维结构堆叠，传统TIM往往面临热传导效率低和局部过热的问题。迄今为止，各向异性结构的金属或碳基填料已被应用于制备具有定向传热特性的热界面材料，但这些材料通常具有较高导电性，存在导致电子设备短路的风险。此外，由于许多研究集中在提升热界面材料面内方向的传热，垂直堆叠电子芯片的热管理依然是一个巨大挑战。因此，迫切需要一种在多个方向上均具备优异传热性能且兼具电绝缘性的热界面材料。

研究内容：

本研究采用球磨和定向冷冻干燥的方法制备了具有定向结构的氮化硼纳米片（BNNS）骨架。再通过原位生长法，将碳化硅纳米线（SiC）引入氮化硼纳米片骨架中，达到桥接氮化硼纳米片，构建完整互联导热网络的目的，从而克服了氮化硼纳米片之间因弱相互作用力导致的不良热传导，并改善了定向冷冻干燥制备导热骨架存在的垂直方向导热不足的问题。此外，由于氮化硼和碳化硅均具备良好的电绝缘特性，SiC-BNNS骨架增强的聚二甲基硅氧烷（PDMS）纳米复合材料不仅展现出优异的导热性能，还具备良好的电绝缘性。

图3 SiC-BNNS骨架的制备流程以及对应的光学照片

研究结果：

通过将一维SiC纳米线原位生长于定向冷冻干燥制备的BNNS骨架中，开发出了一种多功能的高导热纳米复合材料，具备优异的电绝缘性和阻燃性。SiC-BNNS/PDMS纳米复合材料表现出高达2.09 W m^-1 K^-1的平面热导率和1.39 W m^-1K^-1垂直热导率。有限元分析表明，SiC纳米线的引入有助于热传输。同时基于分子动力学模拟，BNNS-SiC界面的热导率较BNNS界面提高了10个数量级以上。与商用TIM相比，采用SiC-BNNS/PDMS的LED芯片稳态表面温度降低了16.2ºC。此外，制备的SiC-BNNS/PDMS展现出优异的电绝缘性，击穿强度为37.78 kV/mm，大大降低了用作微电子设备TIM时发生短路的风险。

论文三

Nano-Micro Letters,2025, 17, 129. 

论文的通讯作者为香港中文大学（深圳）理工学院郑庆彬教授，第一作者为郑庆彬教授课题组博士生孙雨铉。

研究背景：

随着人口增长和环境污染的加剧，全球淡水短缺已成为数亿人面临的重大问题。因此，开发简便有效的水净化和海水淡化技术迫在眉睫。目前，包括热蒸馏、电渗析和反渗透在内的多种技术已被用于水净化和海水淡化。然而，这些技术大多依赖于不可再生的化石燃料，导致温室气体排放增加。相比之下，利用环保太阳能生产饮用水的太阳能水蒸发技术引起广泛关注。然而，传统的二维太阳能水蒸发器在水蒸发过程中受水运输和热损耗影响，蒸发速率和太阳能转化效率受到限制。因此，亟需设计和开发高性能的太阳能水蒸发器。

研究内容：

受天堂鸟茎结构的启发，本研究通过湿纺方法制备了基于组装液态金属/聚丙烯腈（LM/PAN）纤维的多尺度仿生太阳能蒸发器。组装的仿生LM/PAN蒸发器由具有分层多孔结构的LM/PAN纤维垂直排列而成。在太阳能蒸发过程中，LM颗粒作为有效的光热材料，显著提高了太阳能转化效率。同时，优化的三维高孔隙率PAN网络具备良好的亲水性，为LM/PAN蒸发器提供了高效的水传输通道，并在光热转换区域形成有效的隔热层，从而有效减少了热量损失。本文还评估了LM/PAN蒸发器在海水淡化和水净化方面的优异性能。此外，还开发了基于LM/PAN蒸发器的水净化实际应用器件，展示了其卓越的太阳能水蒸发（SSG）性能，并揭示了其在未来实际应用中的潜力。

图4 LM/PAN蒸发器的设计思路与制备流程

研究结果：

在1个太阳光光照条件下，LM/PAN蒸发器的蒸发率达到2.66 kg m^-2 h^-1，能量转换效率高达96.5%。其高效的太阳能水蒸发性能得益于LM/PAN蒸发器中优化的水传输通道，能够有效减少能量损失。同时LM/PAN蒸发器的多级分层水通道优化了水的分布，促进了水的吸收与运输。此外，分子动力学模拟表明，LM/PAN蒸发器与水的相互作用显著降低了水的蒸发焓，从而提升了蒸发效率。LM颗粒的高效光热转换与LM/PAN蒸发器多孔结构的协同效应确保了优异的太阳能转化效率。在实际应用方面，独特的分级多孔结构使LM/PAN蒸发器在海水淡化和废水染料去除方面表现出色。在室外测试中，LM/PAN蒸发器的性能同样优异。简便的加工方法、卓越的水蒸发性能和脱盐能力使其成为解决环境冷却、湿度管理及污染减少等问题的潜力材料。

论文四

ACS Nano, 2025, 19, 1944-1980. 

图5 纳米碳材料表面和界面工程示意图

研究结论：

纳米碳材料的表面与界面工程在推动现代电子技术发展中展现了巨大的潜力，但仍面临若干关键挑战。首先，表面改性往往以牺牲纳米碳材料原有性能为代价，例如热导率。因此，如何在增强界面性能和保持材料本征性能之间取得平衡，成为一项亟待解决的问题。其次，界面形成过程中涉及复杂的物理和化学机制，包括催化剂的形成、扩散及分解等，这些机制尚未完全被理解。尽管原位表征技术（如原子力显微镜，AFM）为观察界面结构的动态演化提供了可能，但其应用仍受限于严格的操作环境要求。同时，分子模拟在揭示界面热传导与力学性能方面表现出显著潜力，但由于力场参数等因素的局限，模拟结果与实验结果仍存在一定偏差。此外，如何将实验室规模的表面与界面工程技术推广至可扩展且经济高效的大规模生产，仍是一个重大挑战。未来的研究应专注于优化表面改性技术，确保材料本征性能得以保持，同时开发高效的原位表征方法，结合机器学习实现对界面状态的精准评估，并通过改进力场参数提升分子模拟的准确性。与此同时，构建可扩展且经济可行的生产工艺将是实现工程化应用的关键。随着研究的不断深入，纳米碳材料的表面与界面工程有望在智能生活、软体机器人、热管理等领域实现突破性应用。

作者介绍

郑庆彬，香港中文大学（深圳）理工学院助理教授，博士生导师，校长青年学者，国家级青年人才，德国洪堡学者，香港科技大学机械工程学博士。郑教授曾任德国德累斯顿莱布尼茨高分子研究所“洪堡学者”，香港科技大学机械及航空航天学系研究助理教授及香港科技大学高等研究院“青年学人”，主持国家自然科学基金，广东省自然科学基金，深圳市自然科学基金，香港研究资助局优配研究金，德国洪堡基金等项目，获得香港中文大学（深圳）理工学院卓越科研奖，斯坦福大学前2%科学家，Research.com全球顶尖材料科学家等荣誉。郑教授长期从事纳米碳材料与集成器件的先进制造加工及其在机械、电子、航空航天、医学等领域的应用，如多功能复合材料、柔性显示、柔性传感和柔性电磁屏蔽等，取得了一系列重要研究成果，已在Progress in Materials Science、Materials Today、Advanced Materials、Advanced Functional Materials、ACS Nano、Angewandte Chemie International Edition、Carbon等本领域顶级期刊发表文章100余篇，论文总计被引用12,500余次，H-index为56。

刘丹，2017年获北京大学化学与分子工程学院博士学位。2021年2月加入香港中文大学（深圳）任博士后，2023年11月起任助理研究员。主要研究方向为柔性机械传感器、可拉伸导体、多功能柔性传感器。

孙雨铉，2019年毕业于中南大学，获学士学位。他目前是香港中文大学（深圳）材料科学与工程专业的博士研究生。主要研究方向为碳基导热复合材料制备及其综合应用。

薛洁，2018年毕业于北京科技大学，获学士学位。她目前是香港中文大学（深圳）材料科学与工程专业的博士研究生。主要研究方向为薄膜的可控制备及其在透明导电薄膜和多功能电子领域的应用。

供稿 | 郑庆彬教授团队