北航合作在二維晶體材料噴墨列印製備技術方面取得新成果

近期，Science advances雜誌在線全文刊發了北京航空航天大學電子信息工程學院張夢副教授與劍橋大學Tawfique Hasan博士等團隊合作在二維晶體材料噴墨列印製備技術方面的最新研究成果：「A general ink formulation of 2d crystals for wafer-scale inkjet printing」。北航卓越百人張夢副教授、劍橋大學Tawfique Hasan博士、杜倫大學Colin D. Bain教授為文章共同通訊作者。

二維晶體以其特殊的材料性能為（光）電子學，光子學和傳感器的發展提供了巨大的潛力。近年來，研究人員致力於將噴墨列印技術應用於二維晶體材料，以實現大面積、低成本的光電子器件製造(張夢副教授相關早期工作請見Nature Communications, 8, 278, 2017)。然而，在噴墨列印過程中，墨水液滴由於液-氣界面曲率的變化產生徑向向外的拉普拉斯壓力，並在該拉普拉斯壓力的驅動下運載材料至液滴與基片界面邊緣處形成「咖啡環」狀的非均勻沉積。這個問題嚴重限制了該技術應用的可重複性和可擴展性。

張夢副教授所在的合作團隊提出，通過設計墨水溶劑成分的表面張力和揮發速率從而誘導墨水產生Marangoni效應以有效抑制咖啡環效應（圖1）。團隊通過實驗研究發現，雙溶劑混合溶液被噴墨列印至基底後，誘導產生的馬拉高尼效應會增強液滴的擴展，引起液滴與基底接觸線處的材料持續擴散，從而使材料在基底上保持均勻的濃度分布。同時，在液滴的乾燥過程中，液滴較厚的中心處的表面張力小於液滴較薄的邊緣處的表面張力，從而引起溶液從液滴頂點流向液滴邊緣的馬拉高尼效應。該馬拉高尼效應使液滴在蒸發過程中維持平展形狀而均勻變薄，從而形成均勻的沉積物。

圖1. Marangoni效應

理解該機制後，研究者合成了10餘種不同的二維晶體以及這些二維晶體的異質結構和混合體，並製備了它們的墨水。無論是採用單線列印圖樣，還是大尺寸、大面積列印圖樣，均展現出了良好的均勻性和一致性（圖2）。作為演示，研究者通過噴墨列印製備了基於二硫化鉬以及石墨烯/氧化鐵二維混合材料的可飽和吸收體（4×8陣列）、室溫氣體傳感器（5×10陣列）和光電探測器（45×100陣列）。隨機選擇16個二硫化鉬可飽和吸收體應用於光纖雷射器，輸出脈衝測試表明其脈寬符合高斯分布，其離散係數為3.3%；室溫二氧化氮傳感器和光電探測器的響應離散係數分別為2.5%和9.1%，器件的性能參數浮動完全在二維晶體噴墨列印製造可接受的變化範圍內。該研究克服了二維晶體大規模可重複性製備方面的最大障礙之一。

圖2. 噴墨列印製備的二維晶體

圖3. 不同次噴墨列印器件樣品展現出一致特性

該報導首次完整揭示了馬拉高尼效應實現均勻噴墨列印的機制，這為推進二維晶體光子的可重複性大規模量產具有重要意義，為國家光電子器件產業化發展起到了積極作用。該工作得到了中國國家自然科學基金委員會（51778030，51372220，51322202）、英國工程和自然科學研究委員會（EP/N025245/1，EP/L016087/1， EP/G037221/1）、英國皇家學會、英國創新署歐盟地平線2020研究與創新計劃的支持。

來源：北京航空航天大學

原文連結：

https://advances.sciencemag.org/content/6/33/eaba5029.abstract