新型类石墨烯材料喷墨打印技术的突破性“配方”

——实现下一代激光与光电器件的大批量生产

2018-03-26
 
导语:该项研究设计了一种制备高性能稳定黑磷喷墨打印墨水的方法,解决了基于黑磷材料器件的制备加工难题。采用该方法打印的黑磷应用到超快激光器和光探测器中均展现了良好的性能和持久的稳定性。该项研究拓展了打印其它类石墨烯材料的应用前景,使得大规模生产下一代激光和光电器件成为可能。
 
 
 
2017616日,北京航空航天大学电子信息工程学院光电通讯实验室张梦老师参与完成的研究成果“Black phosphorus ink formulation for inkjet printing of optoelectronics and photonics (用于光电子学和光子学喷墨打印的黑磷墨水制备)被《Nature Communications》接收。该项研究设计了一种制备高性能稳定黑磷墨水的方法,成功实现了黑磷的大规模喷墨打印,将其应用到超快激光器和光探测器中均展现了良好的性能和持久的稳定性。该技术也有望实现其它类石墨烯材料的打印,使得大规模生产下一代激光和光电器件成为可能。
据介绍,北京航空航天大学电子信息工程学院的张梦老师为文章的共同通讯作者。整个跨学科的科研团队由北京航空航天大学、剑桥大学、帝国理工学院和浙江大学的研究人员共同组成。研究中激光器的设计和使用由北京航空航天大学完成。
 
难以应用的黑磷
自从荣获诺贝尔奖的石墨烯材料被发现以来,越来越多的新纳米材料显现出了与石墨烯相似的卓越性质,从而有望提供新的在光电方向的应用。
黑磷是一种继石墨烯后格外受到科研人员关注的材料,它为制造新型激光和光电器件提供了更多可能。尽管黑磷在实验室中表现出非凡的性能,但由于其复杂的材料加工工艺和在外界环境中的不稳定性,严重阻碍了这种独特材料的实际应用。
 
如何“打印”黑磷
近期,该研究团队取得的突破性进展有望克服这个障碍,即通过简单的“配方”制备能与传统的喷墨打印技术相兼容的黑磷墨水,使基于黑磷的激光和光电器件的大批量制备成为可能。
剑桥大学 Tawfique Hasan 博士领导的科研团队通过精确控制墨水化学成分并平衡其复杂且相互竞争的流体效应得到了稳定的黑磷墨水。该墨水能高质量、高均匀性、高速地大规模打印新型功能性激光和光电器件,就像在纸上打印复杂的图形和照片一样。
论文中的研究工作展示了黑磷喷墨打印这项新颖技术的优点。该技术能充分利用黑磷的卓越性能,尤其是黑磷的半导体能带带隙可以通过原子层数来调节,以实现黑磷器件可见光到近红外区域宽电磁光谱的覆盖。
研究人员所展示的喷墨打印的黑磷非线性光学器件,可以很方便地应用到激光器中作为超快光开关,将激光器的连续光输出转变为超短脉冲序列。这种超短脉冲非常适合于工业和医疗方面的应用,比如加工、钻孔、成像、探测。张梦老师表示:“相比于其它研究,我们使用打印黑磷设计的非线性光学器件显著提升了运转性能和稳定性。”该团队还展示了硅基肖特基光探测器集成打印黑磷以制备高效、高响应性可见光到近红外区域光探测器的可能,突破了传统硅基光电探测器工作波长的限制。
该研究的第一作者,剑桥大学的胡国华补充到:“我们展示了在光电学和光子学方面应用这种新二维材料的独特方式,开拓了更多的新机遇。”
 
 
 
 
未来前景
黑磷墨水可以与现有的 CMOS 技术无缝集成。同时该喷墨打印技术可望将多种性质特异且相互补充的纳米材料进行集成、可控地打印以实现异质结制备,提供了诱人的激光与光电应用前景。
 
张梦,电子信息工程学院,副教授,卓越百人,E-mail: mengzhang10@buaa.edu.cn
 
参考文献
Hu, G. H., T. Albrow-Owen, X. X. Jin, A. Ali, Y. W. Hu, R. C. T. Howe, K. Shehzad, Z. Y. Yang, X. K. Zhu, R. I. Woodward, T. C. Wu, H. Jussila, J. B. Wu, P. Peng, P. H. Tan, Z. P. Sun, E. J. R. Kelleher, M. Zhang, Y. Xu & T. Hasan (2017) Black phosphorus ink formulation for inkjet printing of optoelectronics and photonics. Nature Communications, 8, 10.