We report the in-plane electron transport in the MXenes (i.e., within the MXene layers) as a function of composition using the density-functional tight-binding method, in conjunction with the non-equilibrium Green’s functions technique. Our study reveals that all MXene compositions have a linear relationship between current and voltage at lower potentials, indicating their metallic character. However, the magnitude of the current at a given voltage (conductivity) has different trends among different compositions. For example, MXenes without any surface terminations (Ti3C2) exhibit higher conductivity compared to MXenes with surface functionalization. Among the MXenes with –O and –OH termination, those with –O surface termination have lower conductivity than the ones with –OH surface terminations. Interestingly, conductivity changes with the ratio of –O and –OH on the MXene surface. Our calculated IV curves and their conductivities correlate well with transmission functions and the electronic density of states around the Fermi level. The surface composition-dependent conductivity of the MXenes provides a path to tune the in-plane conductivity for enhanced pseudocapacitive performance.

1.
M.
Naguib
,
M.
Kurtoglu
,
V.
Presser
,
J.
Lu
,
J.
Niu
,
M.
Heon
,
L.
Hultman
,
Y.
Gogotsi
, and
M. W.
Barsoum
,
Adv. Mater.
23
,
4248
4253
(
2011
).
2.
M.
Naguib
,
O.
Mashtalir
,
J.
Carle
,
V.
Presser
,
J.
Lu
,
L.
Hultman
,
Y.
Gogotsi
, and
M. W.
Barsoum
,
ACS Nano
6
,
1322
1331
(
2012
).
3.
M.
Alhabeb
,
K.
Maleski
,
B.
Anasori
,
P.
Lelyukh
,
L.
Clark
,
S.
Sin
, and
Y.
Gogotsi
,
Chem. Mater.
29
,
7633
7644
(
2017
).
4.
B.
Anasori
,
M. R.
Lukatskaya
, and
Y.
Gogotsi
,
Nat. Rev. Mater.
2
,
16098
(
2017
).
5.
T.
Schultz
,
N. C.
Frey
,
K.
Hantanasirisakul
,
S.
Park
,
S. J.
May
,
V. B.
Shenoy
,
Y.
Gogotsi
, and
N.
Koch
,
Chem. Mater.
31
,
6590
6597
(
2019
).
6.
A.
Lipatov
,
A.
Goad
,
M. J.
Loes
,
N. S.
Vorobeva
,
J.
Abourahma
,
Y.
Gogotsi
, and
A.
Sinitskii
,
Matter
4
,
1413
1427
(
2021
).
7.
J.
Luo
,
W.
Zhang
,
H.
Yuan
,
C.
Jin
,
L.
Zhang
,
H.
Huang
,
C.
Liang
,
Y.
Xia
,
J.
Zhang
,
Y.
Gan
, and
X.
Tao
,
ACS Nano
11
,
2459
2469
(
2017
).
8.
R.
Ibragimova
,
M. J.
Puska
, and
H.-P.
Komsa
,
ACS Nano
13
,
9171
9181
(
2019
).
9.
K.
Hantanasirisakul
,
M.
Alhabeb
,
A.
Lipatov
,
K.
Maleski
,
B.
Anasori
,
P.
Salles
,
C.
Ieosakulrat
,
P.
Pakawatpanurut
,
A.
Sinitskii
,
S. J.
May
, and
Y.
Gogotsi
,
Chem. Mater.
31
,
2941
2951
(
2019
).
10.
A.
Lipatov
,
H.
Lu
,
M.
Alhabeb
,
B.
Anasori
,
A.
Gruverman
,
Y.
Gogotsi
, and
A.
Sinitskii
,
Sci. Adv.
4
,
eaat0491
(
2022
).
11.
A.
Lipatov
,
M.
Alhabeb
,
M. R.
Lukatskaya
,
A.
Boson
,
Y.
Gogotsi
, and
A.
Sinitskii
,
Adv. Electron. Mater.
2
,
1600255
(
2016
).
12.
Z.
Ling
,
C. E.
Ren
,
M.-Q.
Zhao
,
J.
Yang
,
J. M.
Giammarco
,
J.
Qiu
,
M. W.
Barsoum
, and
Y.
Gogotsi
,
Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A.
111
,
16676
16681
(
2014
).
13.
H.
Shao
,
K.
Xu
,
Y.-C.
Wu
,
A.
Iadecola
,
L.
Liu
,
H.
Ma
,
L.
Qu
,
E.
Raymundo-Piñero
,
J.
Zhu
,
Z.
Lin
et al,
ACS Energy Lett.
5
,
2873
2880
(
2020
).
14.
J.
Xia
,
S.-Z.
Yang
,
B.
Wang
,
P.
Wu
,
I.
Popovs
,
H.
Li
,
S.
Irle
,
S.
Dai
, and
H.
Zhu
,
Nano Energy
72
,
104681
(
2020
).
15.
R.
Qin
,
G.
Shan
,
M.
Hu
, and
W.
Huang
,
Mater. Today Phys.
21
,
100527
(
2021
).
16.
R.
Li
,
L.
Ding
,
Q.
Gao
,
H.
Zhang
,
D.
Zeng
,
B.
Zhao
,
B.
Fan
, and
R.
Zhang
,
Chem. Eng. J.
415
,
128930
(
2021
).
17.
Y.
Yang
,
K.
Hantanasirisakul
,
N. C.
Frey
,
B.
Anasori
,
R. J.
Green
,
P. C.
Rogge
,
I.
Waluyo
,
A.
Hunt
,
P.
Shafer
,
E.
Arenholz
et al,
2D Mater.
7
,
025015
(
2020
).
18.
M.
Khazaei
,
A.
Ranjbar
,
M.
Arai
,
T.
Sasaki
, and
S.
Yunoki
,
J. Mater. Chem. C
5
,
2488
2503
(
2017
).
19.
M.
Khazaei
,
A.
Ranjbar
,
M.
Ghorbani-Asl
,
M.
Arai
,
T.
Sasaki
,
Y.
Liang
, and
S.
Yunoki
,
Phys. Rev. B
93
,
205125
(
2016
).
20.
J.
Zhang
,
N.
Kong
,
S.
Uzun
,
A.
Levitt
,
S.
Seyedin
,
P. A.
Lynch
,
S.
Qin
,
M.
Han
,
W.
Yang
,
J.
Liu
,
X.
Wang
,
Y.
Gogotsi
, and
J. M.
Razal
,
Adv. Mater.
32
,
2001093
(
2020
).
21.
N.
Zhang
,
Y.
Hong
,
S.
Yazdanparast
, and
M.
Asle Zaeem
,
2D Mater.
5
,
045004
(
2018
).
22.
Q.
Tang
,
Z.
Zhou
, and
P.
Shen
,
J. Am. Chem. Soc.
134
,
16909
16916
(
2012
).
23.
K.
Xu
,
C.
Merlet
,
Z.
Lin
,
H.
Shao
,
P.-L.
Taberna
,
L.
Miao
,
J.
Jiang
,
J.
Zhu
, and
P.
Simon
,
Energy Storage Mater.
33
,
460
469
(
2020
).
24.
T.
Hu
,
Z.
Li
,
M.
Hu
,
J.
Wang
,
Q.
Hu
,
Q.
Li
, and
X.
Wang
,
J. Phys. Chem. C
121
,
19254
19261
(
2017
).
25.
Y.
Xie
and
P. R. C.
Kent
,
Phys. Rev. B
87
,
235441
(
2013
).
26.
G.
Gao
,
G.
Ding
,
J.
Li
,
K.
Yao
,
M.
Wu
, and
M.
Qian
,
Nanoscale
8
,
8986
8994
(
2016
).
27.
T.
Hu
,
J.
Wang
,
H.
Zhang
,
Z.
Li
,
M.
Hu
, and
X.
Wang
,
Phys. Chem. Chem. Phys.
17
,
9997
10003
(
2015
).
28.
M.
Khazaei
,
M.
Arai
,
T.
Sasaki
,
C.-Y.
Chung
,
N. S.
Venkataramanan
,
M.
Estili
,
Y.
Sakka
, and
Y.
Kawazoe
,
Adv. Funct. Mater.
23
,
2185
2192
(
2013
).
29.
L.
Zhang
,
C.
Tang
,
C.
Zhang
, and
A.
Du
,
Nanoscale
12
,
21291
21298
(
2020
).
30.
M.
Han
,
K.
Maleski
,
C. E.
Shuck
,
Y.
Yang
,
J. T.
Glazar
,
A. C.
Foucher
,
K.
Hantanasirisakul
,
A.
Sarycheva
,
N. C.
Frey
,
S. J.
May
,
V. B.
Shenoy
,
E. A.
Stach
, and
Y.
Gogotsi
,
J. Am. Chem. Soc.
142
,
19110
19118
(
2020
).
31.
X.
Zhao
,
P.
Wang
,
E.
Lv
,
C.
Wu
,
K.
Ma
,
Z.
Gao
,
I. D.
Gates
, and
W.
Yang
,
Appl. Surf. Sci.
569
,
151050
(
2021
).
32.
Y.
Xie
,
M.
Naguib
,
V. N.
Mochalin
,
M. W.
Barsoum
,
Y.
Gogotsi
,
X.
Yu
,
K.-W.
Nam
,
X.-Q.
Yang
,
A. I.
Kolesnikov
, and
P. R. C.
Kent
,
J. Am. Chem. Soc.
136
,
6385
6394
(
2014
).
33.
I.
Demiroglu
,
F. M.
Peeters
,
O.
Gülseren
,
D.
Çakır
, and
C.
Sevik
,
J. Phys. Chem. Lett.
10
,
727
734
(
2019
).
34.
H.
Wu
,
Z.
Guo
,
J.
Zhou
, and
Z.
Sun
,
Appl. Surf. Sci.
488
,
578
585
(
2019
).
35.
Y.
Sun
,
C.
Zhan
,
P. R. C.
Kent
,
M.
Naguib
,
Y.
Gogotsi
, and
D.-e.
Jiang
,
ACS Appl. Mater. Interfaces
12
,
763
770
(
2020
).
36.
K.
Xu
,
H.
Shao
,
Z.
Lin
,
C.
Merlet
,
G.
Feng
,
J.
Zhu
, and
P.
Simon
,
Energy Environ. Mater.
3
,
235
246
(
2020
).
37.
G. R.
Berdiyorov
,
EPL (Europhys. Lett.)
111
,
67002
(
2015
).
38.
M.
Bagheri
,
R.
Ibragimova
, and
H.-P.
Komsa
,
Phys. Rev. B
104
,
035408
(
2021
).
39.
A. S.
Christensen
,
T.
Kubař
,
Q.
Cui
, and
M.
Elstner
,
Chem. Rev.
116
,
5301
5337
(
2016
).
40.
Q.
Cui
and
M.
Elstner
,
Phys. Chem. Chem. Phys.
16
,
14368
14377
(
2014
).
41.
R. J.
Maurer
,
C.
Freysoldt
,
A. M.
Reilly
,
J. G.
Brandenburg
,
O. T.
Hofmann
,
T.
Björkman
,
S.
Lebègue
, and
A.
Tkatchenko
,
Annu. Rev. Mater. Res.
49
,
1
30
(
2019
).
42.
R. O.
Jones
,
Rev. Mod. Phys.
87
,
897
923
(
2015
).
43.
A. N.
Enyashin
and
A. L.
Ivanovskii
,
J. Solid State Chem.
207
,
42
48
(
2013
).
44.
A. N.
Enyashin
and
A. L.
Ivanovskii
,
J. Phys. Chem. C
117
,
13637
13643
(
2013
).
45.
A.
Brady
,
K.
Liang
,
V. Q.
Vuong
,
R.
Sacci
,
K.
Prenger
,
M.
Thompson
,
R.
Matsumoto
,
P.
Cummings
,
S.
Irle
,
H.-W.
Wang
, and
M.
Naguib
,
ACS Nano
15
,
2994
3003
(
2021
).
46.
Y.
Meir
and
N. S.
Wingreen
,
Phys. Rev. Lett.
68
,
2512
2515
(
1992
).
47.
G.
Dolgonos
,
B.
Aradi
,
N. H.
Moreira
, and
T.
Frauenheim
,
J. Chem. Theory Comput.
6
,
266
278
(
2010
).
48.
J. P.
Perdew
,
K.
Burke
, and
M.
Ernzerhof
,
Phys. Rev. Lett.
77
,
3865
3868
(
1996
).
49.
P. E.
Blöchl
,
Phys. Rev. B
50
,
17953
17979
(
1994
).
50.
B.
Hourahine
,
B.
Aradi
,
V.
Blum
,
F.
Bonafé
,
A.
Buccheri
,
C.
Camacho
,
C.
Cevallos
,
M. Y.
Deshaye
,
T.
Dumitrică
,
A.
Dominguez
et al,
J. Chem. Phys.
152
,
124101
(
2020
).
51.
G.
Kresse
and
J.
Hafner
,
Phys. Rev. B
49
,
14251
14269
(
1994
).
52.
G.
Kresse
and
J.
Furthmüller
,
Phys. Rev. B
54
,
11169
(
1996
).
53.
A.
Jain
,
S. P.
Ong
,
G.
Hautier
,
W.
Chen
,
W. D.
Richards
,
S.
Dacek
,
S.
Cholia
,
D.
Gunter
,
D.
Skinner
,
G.
Ceder
, and
K. a.
Persson
,
APL Mater.
1
,
011002
(
2013
).
54.
A.
Pecchia
,
G.
Penazzi
,
L.
Salvucci
, and
A.
Di Carlo
,
New J. Phys.
10
,
065022
(
2008
).
55.
G.
Zheng
,
H. A.
Witek
,
P.
Bobadova-Parvanova
,
S.
Irle
,
D. G.
Musaev
,
R.
Prabhakar
,
K.
Morokuma
,
M.
Lundberg
,
M.
Elstner
,
C.
Köhler
, and
T.
Frauenheim
,
J. Chem. Theory Comput.
3
,
1349
1367
(
2007
).
56.
D.
Magne
,
V.
Mauchamp
,
S.
Célérier
,
P.
Chartier
, and
T.
Cabioc’h
,
Phys. Chem. Chem. Phys.
18
,
30946
30953
(
2016
).
57.
R.
Ibragimova
,
P.
Erhart
,
P.
Rinke
, and
H.-P.
Komsa
,
J. Phys. Chem. Lett.
12
,
2377
2384
(
2021
).
58.
J. L.
Hart
,
K.
Hantanasirisakul
,
A. C.
Lang
,
B.
Anasori
,
D.
Pinto
,
Y.
Pivak
,
J. T.
van Omme
,
S. J.
May
,
Y.
Gogotsi
, and
M. L.
Taheri
,
Nat. Commun.
10
,
522
(
2019
).
59.

We excluded the –F functional group as it is less common and the DFTB method cannot currently be applied to systems containing Ti–F bonds.

60.
H.
Szatylowicz
,
A.
Jezuita
,
T.
Siodła
,
K. S.
Varaksin
,
M. A.
Domanski
,
K.
Ejsmont
, and
T. M.
Krygowski
,
ACS Omega
2
,
7163
7171
(
2017
).
61.
V.
Kamysbayev
,
A. S.
Filatov
,
H.
Hu
,
X.
Rui
,
F.
Lagunas
,
D.
Wang
,
R. F.
Klie
, and
D. V.
Talapin
,
Science
369
,
979
(
2020
).

Supplementary Material

You do not currently have access to this content.