MXenes, generally referring to two-dimensional (2D) transition-metal carbides, nitrides, and carbonitrides, have received tremendous attention since the first report in 2011. Extensive experimental and theoretical studies have unveiled their enormous potential for applications in optoelectronics, photonics, catalysis, and many other areas. Because of their intriguing mechanical and electronic properties, together with the richness of elemental composition and chemical decoration, MXenes are poised to provide a new 2D nanoplatform for advanced optoelectronics. This comprehensive review, intended for a broad multidisciplinary readership, highlights the state-of-the-art progress on MXene theory, materials synthesis techniques, morphology modifications, opto-electro-magnetic properties, and their applications. The efforts exploring the device performance limits, steric configurations, physical mechanisms, and novel application boundaries are comprehensively discussed. The review is concluded with a compelling perspective, outlook as well as non-trivial challenges in future investigation of MXene-based nano-optoelectronics.

Abstract Studies of the nonlinear optical phenomena that describe the light‐matter interactions in 2D crystalline materials have promoted a diverse range of photonic applications. MXene, as a recently developed new 2D material, has attracted considerable attention because of its graphene‐like but highly tunable and tailorable electronic/optical properties. In this study, we systematically characterize the nonlinear optical response of MXene Ti 3 C 2 T x nanosheets over the spectral range of 800 nm to 1800 nm. A large effective nonlinear absorption coefficient (β eff ∼‐10 −21 m 2 /V 2 ) due to saturable absorption is observed for all of the testing wavelengths. The contribution of saturable absorption is two orders of magnitude higher than other lossy nonlinear absorption processes, and the amplitude of β eff strongly depends on the light bleaching level. A negative nonlinear refractive index (n 2 ∼‐10 −20 m 2 /W) with value comparable to that of the intensively studied graphene was demonstrated for the first time. These results demonstrate the efficient broadband light signal manipulating capabilities of Ti 3 C 2 T x , which is only one member of the large MXene family. The capability of an efficient broadband optical switch is strongly confirmed using Ti 3 C 2 T x as saturable absorbers for mode‐locking operation at 1066 nm and 1555 nm, respectively. A highly stable femtosecond laser with pulse duration as short as 159 fs in the telecommunication window is readily obtained. Considering the diversity of the MXene family, this study may open a new avenue to advanced photonic devices.

Abstract Continuous and real‐time sensoring has received much attention in biomarker monitoring, toxicity assessment, and therapeutic agent tracking. However, its on‐site application is seriously limited by several stubborn defects including liability to fouling, signal drifting, short service life, poor repeatability, etc. Additionally, most current methods require extra sample pretreatment, delaying timely acquisition of testing results. To address these issues, MXene‐Ti 3 C 2 T x based screen‐printed electrode incorporated with a dialysis microfluidic chip is constructed for a direct and continuous multicomponent analysis of whole blood. Dual‐function of MXene is developed and allows for simultaneous quantification of different target compounds through one device. Importantly, ratiometric sensing tactic is easily implemented in the system, which greatly alleviates signal drifting. As a proof of concept, this novel sensor is applied in hemodialysis, and continuous assay of urea, uric acid, and creatinine levels in human blood is realized. This work paves a new path for 2D MXene in biomedical and sensing applications.

Abstract Crystalline porous metal–organic frameworks (MOFs) with nanometer‐sized void spaces, large surface areas and ordered reticular motifs have offered a platform for achieving disruptive successes in divisional fields. Great progress in exploring the linear and nonlinear optical features of MOFs has been achieved, yet third‐order optical nonlinearities in two‐dimensional (2D) MOFs have rarely been studied. Here, a broadband nonlinear optical amplitude modification and phase shift are demonstrated in a few‐layer nickel‐ p ‐benzenedicarboxylic acid MOF (Ni‐MOF). The calculated bandgap of Ni‐MOF decreases from 3.12 eV to 0.85 eV as the doping of Ni ions increases, indicating the ability of this material to be used for optical amplitude modulation from the visible to the near‐infrared region, which is experimentally confirmed via a Z‐scan technique. The determined third‐order optical nonlinearities resemble those of other low‐dimensional nonlinear optical materials, suggesting the wide potential of Ni‐MOF for application in optoelectronics. As an example, a Ni‐MOF‐based saturable absorber was implemented into fiber resonators to demonstrate its broadband mode‐locking operations. A femtosecond laser pulse was readily obtained in the telecommunication wavelength window in an integrated all‐fiber resonator. Considering the chemical compatibility and rich variability, these primary investigations pave the way towards advanced photonics based on multifeature MOF materials.

Antimonene, a new type of mono/few-layer two-dimensional (2D) mono-elemental material purely consisting of antimony similar as graphene and phosphorene, has been theoretically predicted with excellent optical response and enhanced stability. Herein, we experimentally investigated the broadband nonlinear optical response of highly stable few-layer antimonene (FLA) by performing an open-aperture Z-scan laser measurement. Thanks to the direct bandgap and resonant absorption at the telecommunication band, we demonstrated the feasibility of FLA-decorated microfiber not only as an optical saturable absorber for ultrafast photonics operation, but also as a stable all-optical pulse thresholder that can effectively suppress the transmission noise, boost the signal-to-noise ratio (SNR), and reshape the deteriorated input signal. Our findings, as the first prototypic device of absorption of antimonene, might facilitate the development of antimonene-based optical communication technologies towards high stability and practical applications in the future.

Since the discovery of two-dimensional (2D) transition metal carbides and nitrides, known as MXenes, research on these wonder 2D inorganic compounds has become increasingly intensified with their members quickly expanding. MXenes' state-of-the-art applications are heavily dependent on their processing strategies and manufacturing methods. Nevertheless, the solution processing of MXenes has not been comprehensively reviewed. This review summarizes progress regarding solution processing of MXenes over the past decade as well as outlines key perspectives for future scalable manufacturing strategies. Etching of MAX phases and delamination of MXene are briefly introduced. Rheological properties of MXene dispersions and wetting of the MXene inks, which are crucial for the achievement of high-resolution printing and homogeneous coating, are discussed in detail. We have discussed the ink formulation strategies and fine-tuning of the ink properties to match with that of the targeted substrates to yield efficient yet high-quality printed/coated films/structures. As such, we demonstrate a "map of guidelines" for solution-based processing of MXenes toward high-performance applications, such as electrochemical energy storage, conductive electrodes, electromagnetic interference shielding, and so on.

Abstract Graphdiyne is a new carbon allotrope comprising sp‐ and sp 2 ‐hybridized carbon atoms arranged in a 2D layered structure. In this contribution, 2D graphdiyne is demonstrated to exhibit a strong light–matter interaction with high stability to achieve a broadband Kerr nonlinear optical response, which is useful for nonreciprocal light propagation in passive photonic diodes. Furthermore, advantage of the unique Kerr nonlinearity of 2D graphdiyne is taken and a nonreciprocal light propagation device is proposed based on the novel similarity comparison method. Graphdiyne has demonstrated a large nonlinear refractive index in the order of ≈10 −5 cm 2 W −1 , comparing favorably to that of graphene. Based on the strong Kerr nonlinearity of 2D graphdiyne, a nonlinear photonic diode that breaks time‐reversal symmetry is demonstrated to realize the unidirectional excitation of Kerr nonlinearity, which can be regarded as a significant demonstration of a graphdiyne‐based prototypical application in nonlinear photonics and might suggest an important step toward versatile graphdiyne‐based advanced passive photonics devices in the future.

Abstract As an analogue compound of black phosphorus, a new 2D semiconducting few‐layer SnS is successfully synthesized, and its nonlinear optical response is investigated. It is shown that its nonlinear refractive index and third‐order nonlinear susceptibility are measured as n 2 ≈ 10 −5 (cm 2 W −1 ) and ≈ 10 −10 (e.s.u.), respectively. By taking advantage of such a large Kerr nonlinearity, an all‐optical switching technique based on few‐layer SnS is realized through modulating the propagation of the signal beam by another controlling beam. The achievement of all‐optical switching indicates that few‐layer SnS could be developed as an excellent optical material for all‐optical signal processing. More importantly, a conceptually new and reliable information conversion system based on spatial cross‐phase modulation in few‐layer SnS, that is, the transmission and conversion of a sequence of bit information from one wavelength channel to the other, is presented. The contributions reveal potential applications of few‐layer SnS as a new type of optical information material, and it is therefore anticipated that SnS and other IV–VI compound‐based 2D nanomaterials could find promising applications in photonic devices such as optical modulators, optical switches, detectors, etc.