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子器件的大批量生产

2018-03-26

 
导语:该项研究设计了一种制作高性能稳定黑磷墨水的方法,解决了黑磷材料制作加工的难题。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性能。该项研究拓展了其他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子器件成为可能。
 
 
 

图 用于喷墨打印的实用黑磷墨水及其在超快激光和宽带光电探测器的长时间稳定应用

黑磷是一种继石墨烯材料后格外受到科研人员关注的新纳米材料,它为制造新型激光和光电子器件提供了更多可能。尽管黑磷在实验室中表现出了非凡的性能,但是黑磷材料制备的复杂性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。
北京航空航天大学张梦老师与剑桥大学、帝国理工学院和浙江大学的研究人员密切合作取得突破性进展,有望克服这个障碍。该研究团队通过平衡复杂且相互竞争的流体效应优化化学成分,制备出能与传统的喷墨打印技术相兼容的黑磷墨水。通过高速打印这种特殊“配方”制备的黑磷墨水,可以制备出具有高质量和高均匀性的新功能光电子器件——就像在纸上打印复杂的图形和照片一样。这使基于黑磷的电子和光电子器件的大批量制备成为可能。
该研究工作展示的喷墨打印技术能够充分利用黑磷材料的突出优点,尤其可以通过改变黑磷原子层数从而改变其半导体能带带隙的大小,使其能带带隙可以覆盖从可见光到近红外区域的电磁光谱。
研究人员所展示的基于打印黑磷的非线性光学器件,可以很方便地应用到激光器中以用作超快光开关,将激光器的连续光输出转变为超短脉冲序列,因此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。相比于其他研究,使用打印黑磷设计的非线性光学器件显著提升了激光器的运转性能和稳定性。该团队还展示了黑磷作为高效和高响应光探测器的能力,扩展了传统硅基光电探测器可以工作的波长范围。
该研究对这种新二维材料的独特开发方式,为黑磷在光电子学和光子学方面的应用开拓了更多新机遇。黑磷墨水可以与现有的CMOS技术无缝集成,同时该研究开发的喷墨打印技术支持制备异质结材料。异质结材料可以利用多层纳米材料互不相同而又互补性质的优点,具有诱人前景。
相关工作发表在《Nature Communications [ 8, 278 (2017) ] 上。论文链接:https://www.nature.com/articles/s41467-017-00358-1.pdf
 
 
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.