MXenes are an emerging family of highly-conductive 2D materials which have demonstrated state-of-the-art performance in electromagnetic interference shielding, chemical sensing, and energy storage. To further improve performance, there is a need to increase MXenes' electronic conductivity. Tailoring the MXene surface chemistry could achieve this goal, as density functional theory predicts that surface terminations strongly influence MXenes' Fermi level density of states and thereby MXenes' electronic conductivity. Here, we directly correlate MXene surface de-functionalization with increased electronic conductivity through in situ vacuum annealing, electrical biasing, and spectroscopic analysis within the transmission electron microscope. Furthermore, we show that intercalation can induce transitions between metallic and semiconductor-like transport (transitions from a positive to negative temperature-dependence of resistance) through inter-flake effects. These findings lay the groundwork for intercalation- and termination-engineered MXenes, which promise improved electronic conductivity and could lead to the realization of semiconducting, magnetic, and topologically insulating MXenes.

MXenes are an emerging family of highly-conductive 2D materials which have demonstrated state-of-the-art performance in electromagnetic interference shielding, chemical sensing, and energy storage. After de-intercalation, vacuum annealing at higher temperatures led to surface de-functionalization and improved electronic conductivity. Regarding the effects of termination, vacuum annealing was shown to cause partial surface termination removal and increases in the MXene electronic conductivity. Electronic transport properties of MXenes after heat treatments were measured in a Quantum Design EverCool II Physical Property Measurement System. X-ray photoelectron spectroscopy analysis was performed in a spectrometer using a 100 µm monochromatic Al Ka X-ray beam. Background contributions to the measured intensities were subtracted using a Shirley function prior to quantification and deconvolution. The X-ray diffraction data were acquired from vacuum-filtered films of the same solution used for the in situ TEM study.